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Röhrförmige, in ein Bohrloch absenkbare Druckmeßsonde Die Erfindung
betrifft eine in ein Bohrloch absenkbare Druckmeßsonde zur Fernmessung der Höhe
des Flüssigkeitsspiegels im Bohrloch mit einem in einer abgeschlossenen Meßkammer
angeordneten, von einem Druckmesser gesteuerten elektrischen Meßglied, einer der
Bohrlochflüssigkeit ausgesetzten Vorkammer und einer Zwischenkammer, die mit einer
den hydrostatischen Druck der Bohrlochflüssigkeit auf den Druckmesser übertragenden
Flüssigkeit gefüllt und durch eine Membran gegen die Vorkammer abgedichtet ist.
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Bei den bekannten Druckmeßsonden dieser Art können bei großen Tiefen,
beispielsweise bei Erdölbohrungen von etwa 1000 m Tiefe und mehr in der Meßsonde
entsprechend hohe Drücke auftreten. Die Meßsonde soll vielfach Schwankungen des
Flüssigkeitsspiegels im Bohrloch auf wenige Meter genau erfassen, um beispielsweise
durch Zu- und Abschalten der Förderpumpe den Flüssigkeitsspiegel auf einer bestimmten
Höhe zu halten. Außerdem wächst in Bohrlöchern die Temperatur mit der Tiefe erheblich
an, so daß zum Schutz des abdichtenden Faltenbalges und der Einhaltung einer genügenden
Meßgenauigkeit eine Kompensation des infolge Temperaturerhöhung auftretenden Überdruckes
im abgeschlossenen Meßsystem erforderlich ist.
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Dieser Forderung konnte mit den bisher bekannten Druckmeßsonden nicht
oder nur unvollständig genügt werden, so daß bei größeren Bohrlochtiefen keine genügend
genauen Meßergebnisse möglich waren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch bei großen Bohrlochtiefen
hohe Meßgenauigkeiten sowie einen Ausgleich der infolge der Temperaturerhöhung auftretenden
Überdrücke im abgeschlossenen Meßsystem zu erreichen. Dies wird erreicht, indem
bei einer Druckmeßsonde der eingangs erwähnten Art die Meßkammer gegen die unter
ihr angeordnete Zwischenkammer durch einen mit der Tragplatte des elektrischen Meßgliedes
verbundenen Faltenbalg flüssigkeitsdicht abgeschlossen wird, dessen unteres Abschlußstück
durch eine Druckfeder gegen die Tragplatte abgestützt und mit einem Überdruckventil
gekuppelt ist, das oberhalb der die Vorkammer abschließenden Membran angeordnet
ist.
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Die durch die Erfindung gelehrte federnde Abstützung des das Druckmeßelement
bildenden Faltenbalges in Verbindung mit der Kupplung seines unteren Abschlußstückes
mit einem über der Membran angeordneten Überdruckventil hat den Vorteil, daß der
Faltenbalg nach Erreichen des maximalen Meßbereichs vor weiteren Druckbelastungen
geschützt
wird, so daß auch verhältnismäßig kleine Meßbereiche in sehr großen Tiefen,
z. B. bei Erdölbohrungen, genau gemessen werden, wobei die durch die Temperaturerhöhungen
zusätzlich auftretenden Überdrücke im Meßsystem durch das Ansprechen des federnd
aufgehängten Überdruckventils an der Einwirkung auf den Faltenbalg gehindert werden.
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Der vorzugsweise aus Metall bestehende Faltenbalg ist nach einem
bevorzugten Merkmal der Erfindung so ausgelegt, daß seine Federkraft wesentlich
kleiner ist als die Kraft der ihn abstützenden Druckfeder. Hierdurch wird sichergestellt,
daß eine im Laufe der Jahre auftretende Änderung der Federkonstanten des Faltenbalges
nur einen innerhalb der zulässigen Genauigkeitsgrenze des Meßgliedes liegenden Fehler
hervorrufen kann.
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Bei kleineren Meßbereichen wird die Druckfeder zweckmäßig innerhalb
des Faftenbelages angeordnet, wodurch sich eine besonders gedrängte Bauweise ergibt.
Bei größeren Meßbereichen muß der Querschnitt des Faltenbalges wegen der hierbei
auftretenden höheren Drücke kleiner gehalten werden. Aus diesem Grund empfiehlt
es sich hierbei, den Faltenbalg innerhalb der Feder anzuordnen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, in der zwei Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes im Längs schnitt veranschaulicht sind. Es zeigt Fig.
1 den Längsschnitt einer Ausführungsform der Druckmeßsonde, F i g. 2 den teilweisen
Längsschnitt einer anderen Ausführungsform.
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In der Ausführungsform der F i g. 1 hat die Druckmeßsonde ein rohrförmiges
Gehäuse 1, in dessen oberen Teil die Meßkammer 2 mit einem elektrischen Meßwiderstand
3 vorgesehen sind. Der Meßwiderstand 3 hat z. B. Zylinderform und sitzt auf einem
in der Mittelachse angeordneten Bolzen 4, der mit einem gleichachsig angeordneten
Stift 6 verbunden
ist. Der Stift 6 ist in der Tragplatte S gelagert.
Das untere Ende des Stiftes 6 ist mit dem Abschlußstück 7 eines Metall-Faltenbalges
verschraubt, dessen oberes Ende flüssigkeitsfest mit einer an der Tragplatte 5 durch
Schrauben 9 befestigten, dicht von dem Außengehäuse 1 umschlossenen Hülse 10 verbunden
ist. Das Abschlußstück 7 des Faltenbalges 8 ist durch eine um den Stift 6 gelegte
und von dem Faltenbalg 8 umschlossene schraubenförmige Druckfeder 11 gegen die Tragplatte
5 abgestützt und ruht auf einer Bodenplatte 12, an deren Unterseite eine Zylinderkammer
13 vorgesehen ist. In ein Gewindebohrloch 14 an der Unterseite des Abschlußstückes
7 ist ein Bolzen 15 verschraubt, in den der von einer Zugfeder 16 umschlossene Ventilstößel
17 eines Ventiltellers 18 verschiebbar gelagert ist, der als Überdruckventil dient
und an seiner Oberseite einen als Ventilsitz dienenden elastischen Ring 19 trägt.
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Unter dem Ventilteller 18 befindet sich eine elastische Membran 20,
deren verstärkter Rand 21 flüssigkeitsfest in eine Eindrehung einer Buchse 22 eingelassen
ist. Letztere ist durch zwei O-Ringe 23 und zwei Ringe 24 von rechteckigem Querschnitt
gegen die Innenwandung des Außengehäuses 1 abgedichtet, wobei die Dichtungsringe
23, 24 gleichzeitig auch die untere Abstützung der Hülse 10 bilden. Das untere Ende
des Gehäuses 1 ist mit einem Fußstück 25 verschraubt, das eine durch mehrere radiale
Bohrungen 26 und eine axiale Bohrung 27 mit der Bohrlochflüssigkeit in offener Verbindung
stehende Vorkammer 28 enthält.
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Auf der Tragplatte 5 ist eine Isolierstütze 29 für einen Schleifkontakt
30 angeordnet, der den Widerstand 3 bestreicht. Es ist auch möglich, die Anordnung
von Schleifkontakt30 und Widerstand 3 umzukehren. Der Schleifkontakt 30 sowie die
beiden Enden des Widerstandes 3 sind über die drei Drähte 31 an die Klemmen 32 eines
Klemmbrettes 33 angeschlossen, das auf einer über dem Meßwiderstand 3 in axialer
Richtung angeordneten Stange 34 ruht. An die Klemmen 32 sind drei ineinandergeschraubte
Spiralfedern 35 angeschlossen, die mit dem Zuführungskabel 36 verbunden sind. Dieses
ist durch eine mit dem oberen Ende des Gehäuses 1 verschraubte mehrteilige Stopfbuchse
37 gegen die Bohrlochflüssigkeit abgedichtet.
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Zwischen der im oberen Teil des Gehäuses 1 befindlichen Meßkammer
2 und der im Fußstück 25 befindlichen Vorkammer 28 ist eine untere, durch die Membran
20 abgeschlossene Zwischenkammer 38 angeordnet, die mit einer Hilfsflüssigkeit,
wie Glycerin u. dgl., gefüllt ist. Diese überträgt den auf die Membran 20 wirkenden
hydrostatischen Druck der Bohrlochflüssigkeit auf den als Druckmeßelement dienenden
Faltenbalg 8.
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Die von dem Faltenbalg8 umschlossene Druckfeder 11 wird auf den jeweiligen
Meßbereich, z. B.
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0 bis 20 m oder 0 bis 100 m, ausgelegt. Wird dieser Meßbereich überschritten,
so schließt der mit dem Abschlußstück 7 in Verbindung stehende Ventiltellerl8 die
Kammer38 dicht ab. Hierdurch wird der jeweilige Meßbereich unabhängig von der Eintauchtiefe
der Meßsonde, so daß auch in großen Tiefen nach Absinken des Flüssigkeitsspiegels
genaue Messungen durchgeführt werden können.
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Die unerläßliche Temperaturkompensation der Flüssigkeit in der Kammer
38 wird durch die Feder 16 erreicht. Wenn sich die in der Zwischenkammer
38 befindliche
Hilfsflüssigkeit infolge steigender Erwärmung beim Absenken des Gebers in größere
Tiefen ausdehnt, so drückt diese Hilfsflüssigkeit bei geschlossenem Ventil 19 das
Abschlußstück 7 und über die Stange 6 auch den Meßwiderstand 3 mit dem Klemmbrett
33 so weit nach oben, daß die Hilfsflüssigkeit in der Zwischenkammer 38 keinen zu
großen Überdruck erhält. Hierbei wird die Feder 16 gedehnt. Der Schleiferkontakt30
hat auf dem Bolzen 4 hierfür genügend Auslauf.
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Sinkt der Flüssigkeitsspiegel nach dem Einbau der Druckmeßsonde bis
zu dem gewählten Meßbereich ab, dann öffnet sich das Überdruckventil 18. Die durch
den Temperaturanstieg der Flüssigkeit in der Kammer 38 hervorgerufene Verschiebung
des Meßsystems geht zurück, da über die Membran 21 dann der Ausgleich mit dem umgebenden
Druck erfolgt, und die Druckmeßsonde beginnt zu messen.
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Bei größeren Meßbereichen eignet sich besonders die Ausführungsform
der F i g. 2, bei welcher der als Druckmeßelement dienende Faltenbalg 8' einen kleineren
Durchmesser als der Faltenbalg 8 der F i g. 1 erhält und von der Druckfeder 11'
umschlossen ist, die in gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel das
untere Abschlußstück 7' des Faltenbalges 8' elastisch abstützt.
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Die Wirkungsweise dieser Ausführung entspricht im übrigen derjenigen
der F i g. 1.
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In beiden Ausführungsformen wird durch die von dem hydrostatischen
Druck der Bohrlochflüssigkeit hervorgerufene Formänderung des Faltenbalges 8 bzw.
8' der Schleifkontakt 30 über den Meßwiderstand 3 verschoben. Die sich ergebenden
elektrischen Werte werden über die Drähte 31 und die Feder 35 auf das Zuführungskabel
36 übertragen, und Überdrücke sind im Anzeigegerät sichtbar gemacht.
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Statt der dargestellten Ausführungsform kann das Ventil auch als
Kegelventil oder in sonstiger Weise ausgebildet werden. Wesentlich ist dabei, daß
bei geschlossenem Ventil der Faltenbalg noch weiter zusammengedrückt werden kann.