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Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Zusammensetzung eines
Gemisches aus drei Bohrlochfördermedien Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Bestimmung der Zusammensetzung eines Gemisches aus drei Fördermedien in Gestalt
von Wasser, Gas oder Öl, die sich in verschiedenen Trägerschichten eines Bohrloches
befinden.
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Bekanntlich enthalten die von Erdöltiefbohrungen gelieferten Fördermedien
alle Öl, Gas und Salzwasser, jedoch in äußerst unterschiedlichen Anteilen.
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Die Erfindung bezweckt im besonderen die Schaffung eines Verfahrens
und einer zu dessen Durchführung geeigneten Vorrichtung, womit es möglich ist, an
jedem gewählten Niveau die Teilmengen an Öl, Gas und Wasser so zu bestimmen, daß
aus ihnen anschließend z. B. die wirklichen Fördermengen einer jeden im Betrieb
befindlichen Schicht oder auch der Austausch von Fördermedien zwischen einzelnen
Schichten berechnet werden können.
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Eine bei einer derartigen Vorrichtung unbedingt einzuhaltende Bedingung
besteht darin, daß die Messungen an einem Fördergemisch durchgeführt werden, das
ständig möglichst dem gleich bleibt, das bei Fehlen der Vorrichtung an der Stelle
strömt, an der die Vorrichtung eingesetzt wird.
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Es ist ferner wesentlich, daß die zu einer derartigen Vorrichtung
gehörenden verschiedenen Meßglieder so angeordnet sind, daß jedes seine eigene Messung
an dem gleichen Fördergemisch vornehmen kann.
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Es sind bereits verschiedene Versuche zur Herstellung einer die obigen
Bedingungen erfüllenden Vorrichtung gemacht worden. So ist z. B. vorgeschlagen worden,
ein Meßrohr zu benutzen, durch das die Fördermedien gegebenenfalls mittels eines
aufweitbaren Packers zu strömen gezwungen werden.
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Bekannt ist bereits eine Vorrichtung zum Bestimmen eines einzigen
charakteristischen Parameters der Fördermedien, die aus einer Formation bestimmter
Größe gefördert werden, wobei diese Formation durch zwei Packer begrenzt ist. Dabei
soll die Förderleistung erst bei einem zweiten Durchgang des Strömungsmittels gemessen
werden.
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Die Kenngrößen, die mit dieser bekannten Vorrichtung gemessen werden
sollen, sind die Dichte, die Förderleistung, die. Flüssigkeitstemperatur. In dieser
Gruppe stellt lediglich die Dichte eine chaiakteristische Eigenschaft der Natur
des Fördermediums selbst dar. Es ist demzufolge nicht möglich, durch die Kenntnis
eines einzigen charakteristischen Parameters, der der Natur eines aus Öl, Gas und
Wasser gebildeten Gemisches entspricht, die Zusammensetzung der Mischung zu bestimmen.
Und dies gerade stellt das Ziel der vorliegenden Erfindung dar, welches dadurch
erreicht wird, daß gleichzeitig an jeder der genannten Trägerschichten wenigstens
zwei Größen gemessen werden, von denen eine ganz besonders von der Art der genannten
Fördermedien bestimmt ist, wobei als Meßgröße in Frage kommen: die Dielektrizitätskonstante
und/oder der elektrische Widerstand für das Wasser, die Dichte, der akustische Widerstand
oder der Brechungsindex für das Gas oder die Viskosität für das Öl.
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Wesentlich im Rahmen der Erfindung und bisher noch nicht bekannt ist
dabei die Maßnahme, wenigstens zwei Größen zu messen, von denen jede charakteristisch
für die Natur des einen der drei Fördermedien ist, aus denen sich die Mischung zusammensetzt.
Wenn man eine Größe, wie z. B. die Dichte, nicht mißt, dann erhält man nur zwei
Gleichungen, um drei Unbekannte zu bestimmen. Diese beiden Gleichungen sind: die
Gleichung der Mischung X -I- Y -I- Z = 1 und die Gleichung der gemessenen Dichte
aX+bI'+cZ=d, wobei die Buchstaben a, b, e und d die Dichte jedes der
Bestandteile darstellen.
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Da überdies jede der beiden gemessenen Größen ganz besonders charakteristisch
für einen der drei Bestandteile der Mischung ist, kann man durch schrittweise Annäherung
die Anteile dieser Bestandteile an der Gesamtmischung bestimmen. Diese
Maßnahme
ist gerechtfertigt durch die Tatsache, daß alle diese Messungen-auf Grund der schwierigen
Bedingungen, unter denen die betreffenden Werte erhalten werden, mehr oder weniger
mit Fehlern behaftet sind.
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Wenn man zwei charakteristische Größen der Natur der beiden Bestandteile
des Gemisches aufstellt, ist man oft in der Lage zu wissen, ob diese beiden Anteile
in der Mischung einen im Verhältnis wesentlichen mittelmäßigen oder nur-geringfügigen
Faktor darstellen, was dazu führt, daß es in gewissen Fällen berechtigt ist, in
einem einzigen Durchgang dasjenige der drei Strömungsmittel, das den geringsten
Anteil ausmacht, zu vernachlässigen, um dann nur zwei Gruppen von zwei Gleichungen
mit zwei Unbekannten zu erhalten. In einem zweiten Durchgang kann eine genauere
Berechnung eine Annäherung an die wirkliche Lösung ermöglichen.
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Erfindungsgemäß mißt man vorzugsweise die Dichte und die Dielektrizitätskonstante
der Mischung. Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach der
Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Meßrohr mit Öffnungen an jedem Ende, durch
welche das Gemisch strömen kann, wobei wenigstens zwei Meßglieder, deren jedes für
die Fernmessung einer die Art eines der Bestandteile des Gemisches kennzeichnenden
Größe geeignet ist, unmittelbar innerhalb des Meßrohres angeordnet sind. Dabei kann
erfindungsgemäß das Meßrohr mit einemaufweitbaren Packer ausgerüstet sein, welcher
so nahe wie möglich der unteren Öffnung des Rohres angeordnet ist. Ferner ist zweckmäßigerweise
der Querschnitt des Rohres so gewählt, daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit
des Gemisches in dem Rohr zwischen 60 und 1200 cm/s liegt,- wenn sich der-Packer
in Betriebsstellung befindet.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt
ist.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
handelt es sich um eine Meßsonde 10, die in ein Bohrloch 12 mit einer Förderung
von 3,6 m3/h mittels eines elektrischen Tragkabels 14 herabgelassen ist, das von
einer Winde 16 bewegt wird und das mit einem Empfänger 18 mit einem nachgeschalteten
Mehrwegeregistriergerät 20 verbunden ist. Die Verrohrung 22 des Bohrlochs 12 hat
einen Innenquerschnitt von etwa 250 cm2. In der Verrohrung 22 sind zwei Öffnungen
24 und 25 zum Fördern des oberen Trägers 26 angebracht. Die -Sonde 10 enthält von
unten nach oben einen hydraulischen Bausatz 28, mit einer elektrischen Pumpe, die
in dem Bohrloch befindliches Fördermedium durch Öffnungen 30 ansaugt und es durch
eine Leitung 32 in einen aufweitbaren Packer 34 fördern kann, der aus einem Sack
aus mit Neopren getränktem, unter dem Warenzeichen »Nylon« bekannten Polyamidgewebe
besteht. Durch Umkehr der Drehrichtung der Pumpe ergibt sich der umgekehrte Vorgang.
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Ein Meßrohr 36 mit einem Durchtrittsquerschnitt von etwa 2 cm2 besitzt
eine untere Öffnung 38 und obere Öffnung 40. Unmittelbar über der Öffnung 38 ist
ein Ring 42 befestigt, der das untere Ende des aufweitbaren Packers 34 festhält
und abdichtet. Das obere Ende des Packers ist an einem Ring 44 befestigt; der dicht
an dem Meßrohr 36 gleiten und sich um dieses drehen kann. Der Ring 44 ist an dem
Ende einer Schraubenfeder 46 befestigt, die sich entsprechend der Aufweitung des
Packers 34 spannen und verdrehen kann. Das andere Ende der Feder ist an der Stelle
48 an dem Rohr 36 befestigt.
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Unmittelbar über der Federbefestigung 48 befmdet sich ein Meßglied
50, das durch einen an sich bekannten Trägheits Dichtemesser gebildet wird, mit
dem ein ebenfalls bej#:anntes Viskosimeter kombiniert ist.
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Ein derartiger Dichtemesser enthält im wesentlichen einen mit dem
zu untersuchenden Fördermedium gefüllten Hohlzylinder, der an einer Torsionsachse
aufgehängt ist und mit seiner natürlichen Resonanzfrequenz durch elektrische Einrichtungen
in Schwingungen versetzt wird. Die Schwingungsfrequenz verändert sich entsprechend
der Dichte des Fördermediums, das den Zylinder durchströmt und umgibt. Da außerdem
die Amplitude der Schwingungen konstant gehalten wird, hängt die Amplitude des die
.Erregerspulen durchfließenden Stroms von der Viskosität des Fördermediums ab.
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Über dem Meßglied 50 ist an der Stelle 52 ein kapazitiver Detektor
mit isolierten Elektroden angeordnet, der den Wasseranteil des zwischen den Elektroden
strömenden Gemisches angibt, und zwar unabhängig davon, ob dieses Gemisch eine Emulsion
bildet oder nicht.
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Über dem Detektor befindet sich ein Mengenmesser 54 bekannter Bauart
mit einer Schraube 56, deren Drehbewegung in bekannter Weise in elektrischen Größen
übertragen wird. Die oberen Öffnungen 40 des Meßrohrs münden in geringer Entfernung
über der Schraube 56. Ein den Meßgliedern 50, 52, 54 zugeordneter Stromkreis enthaltender
elektronischer Bausatz 58 bildet den nächsten Teil der Sonde. Unmittelbar darüber
sind ein für Fernmessungen geeignetes Thermometer 60 bekannter Bauart und ein Druckmesser
62 mit schwingendem Zylinder befestigt. Öffnungen 64 ermöglichen die Einwirkung
des Drucks auf den empfindlichen Teil des Druckmessers.
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Wenn die in dem hydraulischen Bausatz 28 befindliche Pumpe in dem
richtigen Sinn in Betrieb gesetzt wird, weitet sich der Packer 34 auf und verschließt
den Ringraum zwischen der Sonde 10 und der Verrohrung 22, so daß die gleichzeitig
von dem oberen Träger 26 über die Öffnungen 24 und 25 und durch die unteren Träger
des Bohrlochs gelieferten Fördermedien gezwungen werden, durch die Öffnung 38 in
das Rohr 36 einzuströmen. Das Fördergemisch strömt dann nacheinander über die Meßglieder
50, 52, 54, deren Durchtrittsquerschnitte die gleiche Größenordnung wie der Querschnitt
des Rohrs 36 haben, wonach es über die Öffnungen 40 wieder in das Bohrloch gelangt.
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Das Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen der Verrohrung 22
(250 cm2) und des Meßrohrs 36 (2 cm2) beträgt 125: 1. Da die Gesamtförderung
des Bohrlochs ein Liter in der Sekunde beträgt, beträgt die mittlere Aufstiegsgeschwindigkeit
der Fördermedien in der Verrohrung über der oberen Förderschicht 4 cm/s, d. h. 500
cm/s in dem Meßrohr. Die von den verschiedenen Dichten der drei Fördermedien herrührenden
relativen Aufstiegsgeschwindigkeiten der Gasblasen zum Öl oder der Öltröpfchen und
der Gasblasen zum Wasser werden daher sehr klein gegenüber der mittleren Geschwindigkeit
des
Gemisches innerhalb des Meßrohrs sein, da diese Aufstiegsgeschwindigkeiten größenordnungsmäßig
höchstens einige Zehner Zentimeter in der Sekunde betragen. Die von dem Dichtemesser,
dem Viskositätsmesser und dem Detektor zur Feststellung des Wasseranteils gelieferten
Informationen sind daher mit den von dem Mengenmesser gelieferten Informationen
vergleichbar, da sie tatsächlich das Gemisch der durchgeströmten Fördermedien kennzeichnen,
und zwar aus dem Grund, weil die Bestandteile des Gemisches. beim Durchströmen durch
die Meßglieder Augenblicksvolumina haben, die den Teilmengen der Fördermedien sehr
angenähert proportional sind.
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Die untere Grenze dieser mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Fördermedien
in dem Meßrohr liegt nach der Erfindung bei 60 cm/s. Von dem Erfinder vorgenommene
Versuche haben nämlich gezeigt, daß dann die Fehler der wirklichen Werte der Dichte
und des Wasseranteils höchstens 10% betragen, was in gewissen Fällen zulässig ist.
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Ferner beträgt nach Versuchen des Erfinders die obere Grenze der mittleren
Strömungsgeschwindigkeit der Fördermedien in dem Meßrohr etwa 1200 cm/s. Diese obere
Grenze entsteht durch die Mindestlänge, die das Meßrohr haben muß (150 cm bei dem
dargestellten Beispiel). Bei sehr großen Strömungsmengen werden nämlich die Druckverluste
in dem Meßrohr so groß, daß der auf die beiden Seiten des Packers 34 wirkende Differenzdruck
das allmähliche Aufsteigen der Meßsonde in dem Bohrloch unter der Einwirkung einer
aufwärts gerichteten Druckkraft bewirkt, die größer als das scheinbare Gewicht der
in die Fördermedien des Bohrlochs eingetauchten Meßsonde ist. Damit die Messung
auf einem bestimmten Niveau unter einwandfreien Bedingungen vorgenommen werden kann,
muß die Meßsonde an diesem Niveau bleiben, d. h., der Durchtrittsquerschnitt des
Meßrohrs muß genügend groß gewählt werden.
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Nach den Angaben des Mengenmessers kann man also an den verschiedenen
Meßniveaus unmittelbar beurteilen, ob die von den Meßgliedern gelieferten Informationen
sich tatsächlich auf die durchgeströmten Fördermedien beziehen. Wenn jedoch das
Meßrohr entsprechend der Gesamtförderung des Bohrlochs gewählt ist, die im allgemeinen
lange bekannt ist, bevor eine derartige Meßreihe beschlossen wird, trifft man an
den verschiedenen Niveaus auf Strömungsgeschwindigkeiten, welche in einem für die
Meßsonde annehmbaren Bereich liegen.
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Der geringe Abstand zwischen dem Ring 42 und der Öffnung 38 verringert
die in diesem Raum bei Aufweitung des Packers 34 auftretenden Erscheinungen der
Trennung nach der Dichte beträchtlich. Aus diesem Grund hat bei Vorhandensein von
beträchtlichen Gasmengen in dem Gemisch die pulsierende Strömungsmenge des Gases
in dem Meßrohr nur eine sehr geringe Amplitude und eine verhältnismäßig hohe Frequenz,
wodurch das Arbeiten der Meßglieder 50, 52, 54 nur wenig gestört wird.
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Der elektronische Bausatz 58 übermittelt daher dem Empfänger 18 Informationen,
welche einerseits die Mittelwerte der Dichte, der Viskosität und der Strömungsmenge
des Fördermediums und andererseits den Wassergehalt dieses Gemisches betreffen,
wobei die diesen Gehalt betreffenden Informationen durch das Vorhandensein von Gas
etwas verändert werden. Ferner gestattet die Kenntnis der unmittelbar an der Meßstelle
herrschenden Temperatur, die von den Meßgliedern 50, 52, 54 und 62 gelieferten Meßergebnisse
gegebenenfalls durch Einführung entsprechender Koeffizienten zu berichtigen.
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Ferner liefert ein in dem Empfänger 18 angeordneter Diskriminator
entsprechend der Frequenz und der Form der von dem Mengenmesser 54 gelieferten Signale
die Amplitude und den Sinn der Durchflußmenge.
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Bei Kenntnis des Drucks und der Temperatur an der Meßstelle können
aus bekannten Fluchtlinientafeln die Werte der Dichte der Gase und der Viskosität
der Öle in der Meßtiefe abgeleitet werden.
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Ferner werden bekanntlich bedeutende Dichteschwankungen bei Vorhandensein
von Gas festgestellt, und das gleiche gilt für den Wassergehalt. Die die Viskosität
betreffenden Informationen sind mit Vorsicht zu benutzen, da bekanntlich Emulsionen
aus Öl und Wasser Viskositäten besitzen, welche bis zu dem Zehnfachen der Viskosität
ihrer Bestandteile gehen. Die Viskositätsinformation wird daher nur benutzt, wenn
damit zu rechnen ist, daß sie sich auf ein einfaches Gemisch von Fördermedien und
nicht auf eine Emulsion bezieht.
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Es werden dann entweder durch ihren Absolutwert (Wasser) oder durch
Vergleich mit den jeden Bestandteil (Gas oder Öl) in der Meßtiefe kennzeichnenden
Konstanten die beiden Informationen gewählt, welche diese Bestandteile am besten
kennzeichnen und durch Kombination mit diesen Konstanten drei Gleichungen mit drei
Unbekannten liefern, deren Lösung durch schrittweise Annäherung den Gehalt des Gemisches
an Wasser, Gas und Öl auf jedem Niveau ergibt. Die bei dieser ersten Annäherungslösung
vernachlässigte Information gestattet natürlich, in der Folge die Genauigkeit der
Ergebnisse der Rechnung zu verbessern.
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Diese Rechnung kann von Hand oder besser mit Hilfe einer Maschine
vorgenommen werden, vorausgesetzt, daß die Informationen in geeigneter Weise registriert
sind, z. B. auf Magnetbändern mit mehreren Bahnen.
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Bei Kenntnis des Gehalts an Wasser, Gas und Öl des Gemisches der mit
praktisch gleichen Geschwindigkeiten in dem Meßrohr strömenden Fördermedien können
dann die von dem mit einer Schraube versehenen Strömungsmengenmesser 54 gelieferten
Informationen .mit entsprechenden Berichtigungskoeffizienten versehen werden, da
ja die Kennlinien eines derartigen Geräts von der Dichte der Fördermedien abhängen.
Fluchtlinientafeln liefern als Funktion der Anteile der an der Meßstelle strömenden
Fördermedien die Berichtigungskoeffizienten, deren Benutzung gestattet, die wirkliche
Gesamtströmungsmenge zu erhalten. Wenn die Genauigkeit der Ergebnisse noch weiter
erhöht werden soll, werden die von den Meßgliedern gelieferten Informationen entsprechend
dieser wirklichen Gesamtströmungsmenge berichtigt. Bei einer beliebigen mittleren
Geschwindigkeit in dem Meßrohr unterscheiden sich in der Tat die relativen Geschwindigkeiten
der drei Fördermedien infolge ihrer verschiedenen Dichte um bestimmte Größen. Fluchtlinientafeln,
welche von dem Erfinder durch systematische Versuche hergestellt wurden, gestatten,
unter Ausgang von der Gesamtströmungsmenge die von dem Dichtemesser und dem Detektor
zur Feststellung des Wassergehalts gelieferten Informationen
zu
berichtigen. Es werden neue Gleichungen aufgestellt, welche neue Anteile an Wasser,
Gas und öl liefern. Durch Wiederholung dieses Verfahrens können die Ergebnisse weiter
verbessert werden. Aus ihnen erhält man durch einfaches Multiplizieren die Teilströmungsmengen
von Wasser, Gas und Öl.
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Wenn in einem ersten und einem zweiten Arbeitsschritt eine erste und
eine zweite Meßreihe vorgenommen wurde, indem der aufweitbare Packer 34 über bzw.
unter die öffnungen 24 und 25 gebracht wurde, kann durch Subtraktion der aus diesen
Messungen berechneten Teilströmungsmengen die Förderung des Trägers 26 genau ermittelt
werden.
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Die Erfindung kann abgewandelt werden.
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So sind zunächst die Abmessungen des Werkzeugs, der Durchmesser und
die Fördermenge des Bohrlochs nur beispielshalber angegeben. Ferner brauchen anstatt
drei, die Axt der Fördfermedien kennzeichnende Größen nur zwei derselben gemessen
zu werden. Ganz allgemein wird die Messung des Wasseranteils beibehalten, da ja
Wässer stets aus dem Bohrloch in mehr oder weniger großer Menge gefördert wird.
Ferner wird die die Dichte betreffende Information der die Viskosität betreffenden
Information vorgezogen, und zwar nicht nur wegen der Schwierigkeiten, welche bei
der Auswertung dieser letzteren Größe auftreten können, sondern auch, weil die Dichte
in Form von Frequenzänderungen erscheint, während die Viskosität nur als eine Amplitudenänderung
bekannt ist, welche-praktisch in Frequenzänderungen umgeformt werden muß, um sie
unter guten Bedingungen auf den Empfänger 1,8 übertragen zu können, was natürlich
zusätzliche elektronische Stromkreise erfordert, Die benutzten Meßglieder können
natürlich von den zur Messung der Dichte, der Viskosität oder des Wasseranteils
vorgeschlagenen verschieden sein, vorausgesetzt, daß sie unmittelbar übereinander
in dem gleichen Meßrohr angeordnet werden können und Durchtrittsquerschnitte von
der gleichen Größenordnung wie; der Durchtrittsquerschnitt des. Meßrohrs besitzen.
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An Stelle der obenerwähnten Größen können auch andere kennzeichnende
Größen gemessen werden.. So kann man z.13, entweder die akustische Impedanz oder
auch den Brechungsindex des Gemisches messen, welche beide für das Vorhandensein
von Gas kennzeichnend sind, oder auch den mittleren spezifischen Widerstand des
Gemisches, welcher für das Vorhandensein von Salzwasser kennzeichnend ist.: Wenn
nur die Art der an jedem Niveau eines Bohrlochs' vorhandenen Fördermedien ermittelt
werden soll, kann ein aus dem oben beschriebenen Werkzeug abgeleitetes Werkzeug
benutzt werden, in welchem einerseits der aufweitbare Packer und seine hydraulische
Baueinheit und andererseits der Strömungsmengenmesser und seine zugehörigen. elektronischen;
Stromkreise fortfallen. In diesem Fall hat der Durchtrittsquerschnitt des Meßrohrs
keinen kritischen Wert, er wird jedoch so groß wie möglich gewählt.
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Der aufweitbare Packer kann ferner durch einen Packer beliebiger anderer
Bauart ersetzt werden. Das Werkzeug kann, auch mit verschiedenen Zubehörteilen bekannter
Ausführung versehen werden. So kann z. B. ein Magnetdetektor zur Feststellung der
Rohrverbindungen benutzt werden, wodurch das Meßniveau mit großer Genauigkeit ermittelt
werden kann.
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Ferner kann das Werkzeug mit einer Zentnervorrichtung mit einem elastischen
Arm versehen werden, welche das Werkzeug. in dem Bohrloch richtig einstellt, und
zwar selbst bei schrägen Schächten.
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Ferner können zwei äußere einziehbare Packer benutzt werden, wenn
unmittelbar die Teilströmungsmengen eines bestimmten Trägers gemessen werden sollen,
wobei dann die Packer oben- und unterhalb der öffnungen der Verrohrung angeordnet
werden.
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Es wird dann ein Hilfsdurchflußrohr benutzt, welches der Förderung
von den unteren Trägern gestattet, den Raum zwischen den beiden Packern zu durchströmen,
so daß die auf den unteren Packer wirkenden Differenzdrücke so klein. sind, daß
das Werkzeug nicht aufwärts geht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann natürlich auch auf Bohrlöcher
beliebiger Art zur Bestimmung der Art und der Menge der Förderung angewandt werden
(z. B, Süßwasserbrunnen, Einpreßsonden für Wasser und Wasserdampf usw,).