DE2157254C - Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung eines mehrphasigen Mediums - Google Patents

Description

Die hrfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verjähren /uv UiUe.rbuchu.ng einei meluphasi^en Mediums, insbesondere eines Stromes nicht mischbarer Medien in einem in Betrieb befindlichen Bohrloch, mit einer in das zu untersucher Ic Medium eingetauchten Sonde mit wenigstens einer Kammer zur gravitätsbedingten Trennung der Phasen und mit Verbindungsleitungen zwischen dem zu untersuchenden Medium und der Kammer, wobei in Betriebsstellung der Sonde die Verbindungsleitungen wenigstens zwei offene Durchgänge aufweisen, die in verschiedenen Niveaus in die Kammer münden.

Aus der britischen Patentschrift 330 317 ist bereits pine Probeentnahmevorrichtung bekannt, hei der in Betriebsstellung zwei offene Durchgänge in den Verbindungsleitungen zur Umgebung zugeordnet sind, die in verschiedenen Niveaus in die Sammelkammer münden. Wenn bei dieser Vorrichtung eine Flüssigkeitsprobe aus einer gegebenen Tiefe des Bohrlochs entnommen werden soll, wird das Probengefäß in die entsprechende Tiefe abgesenkt, elektromagnetisch geöffnet, die Probe entnommen, das Gefäß verschlossen und an der Oberfläche untersucht.

Man weiß, daß die durch die ölbohrlöcher erzeugten Strömungsmittel im allgemeinen drei Phasen verschiedener Zusammensetzungen aufweisen, nämlich Öl, Wasser und Gas. Diese letzte Phase liegt oft in einer geringen Menge vor, die sogar vernachlässigbar gegenüber den beiden anderen Phasen ist, und in vielen Fällen kann das strömende Medium als quasi zweiphasig angesehen werden.

Die Zusammensetzung und die Menge der in dem Eohrloch strömenden Produkte ändern sich entsprechend der Standzeit des Loches. Sie ändern sich ebenso entsprechend der Tiefe und dem Bohrloch selbst, da bestimmte Schichten mehr oder weniger Rohöl oder Gas und Wasser erzeugen. Die tatsächlichen Mengen jeder in Betrieb befindlichen Schicht, der Strömungsmittelaustausch zwischen den Schichten, und die Pegelwerte, wo sich der Wasserzufluß befindet, sind die wesentlichen Faktoren, welche man für die rationelle Ausbeutung des Bohrloches kennen muß. Auch zielen die ausgeführten Messungen in den in Betrieb befindlichen Bohrlöchern meistens darauf hin, herauszufinden, in welchen Tiefen sich die Kohlenwasserstoff erzeugenden Schichten befinden und wie groß ihre Ergiebigkeit ist, und sogar, in welchen Tiefen man Wasseradern antrifft und in welcher Menge dieses Wasser in das Bohrloch strömt.

Unter den häufigsten Messungen ist die Bestimmung der Menge, der Temperatur und der Dichte zu nennen. Diese letzte Messung gestattet insbesondere, bei einem vorgegebenen Niveau die Anteile der beiden im I-InLi befindlichen Strömungsmittel zu bestimmen, deren Natur man kennt. Obwohl Vorrichtungen existieren, welche Angaben über die Dichte der Strömungsmittel in den Bohrlöchern mit einer guten Gc- nauiiikeit ergeben, so gestatten diese Messungen nicht immer die Angaben der /usammensei/uni¹ der /weiphasigen Medien mit demselben Grad an iic>Liuigkeil, da die Dichte-Werte der in dem Medium vorhandenen Strömungsmittel relatis benachbart sind.

ίο was insbesondere für Öl und Wasser zutrillt. Dies ist ein Grund, weshalb man schon \ersiii_ht hat, durch andere Meßmittel die Anteile der Sirönuingsmiti.^! auf serschiedencn \i\eaus des Bohrloches oiler dei Quelle zu bestimmen.

Man hat seit langem Proben son Siiömuugsmiiicln mit Hilfe \on Entnahniesonden entnommen, welche insbesondere tür diesen /weck eniwoileii sind. l-.iiK der bei dieser Art von Vorrichtung angeiroliencn Schwierigkeiten besteh darin, daß der Vorgang der Entnahme selbst die Zusammensetzung der Probe verfälscht, indem beispielsweise Gase freigesetzt weiden, die sich in gelöster Form in dem strömenden Medium in der Höhe der Probeentnahme befinden. Darüber hinaus muß den verschiedenen Eigengeschwindigkeiten jeder der Phasen im Inneren der Strömung Rechnung getragen werden und die entnommene Probe ist daher nicht immer wirklich repräsentativ für die Anteile der in einem gegebenen Augenblick in der Höhe der Probeentnahme vorhandenen Phasen; es handelt sich bei dieser Feststellung um eine Erfahrungstatsache für Proben in einem mehrphasigen Medium, welche wenigstens für bestimmte Duichllußmengen gilt.

Schließlich weisen die herkömmlichen Techniken der Probeentnahme den wesentlichen Nachteil auf, daß sie das Herablassen und He^ aufholen der Sonde für jede Messung erforderlich machen, um die Zusammensetzung der Probe an der Obertläche zu analysieren.

Um Messungen direkt auf dem untersuchten Niveau auszuführen, hat man vor kurzem einen anderen physikalischen Pa.ameter als die Dichte verwendet, um davon die Zusammensetzung des Gemisches abzuleiten. Es gibt daher kapazitive MeIifühler, die dazu bestimmt sind, die dielektrische Konstante eines Öl-Wasser-Gemisches ?u messen. Diese Meßfühler können beispielsweise zwei Elektroden aufweisen, von denen eine mit einer Isolierschicht überzogen ist, deren Stärke genau gleich dem Zwischenraum zwischen den Elektroden ist. Diese Elektroden sind derart angeordnet, daß sie das Strömungsmittel längsseitig in den Raum zwischen den Elektroden einströmen lassen. Diese Meßfühler sind im Inneren einer hohlen Sonde angebracht, die mit einem aufblasbaren Stopfen oder Packer verschen ist, um das Bohrloch abzudecken, so daß die gesamte Strömung in dem Loch gezwungen wird, in die Sonde durch eine untere öffnung einzudringen, zwischen den Elektroden des kapazitiven Meßfühlers hindurchzugelangen und oben aus der Sonde in das Loch oberhalb des Stopfens auszutreten. Diese Anordnungen geben ein gutes Maß der Zusammensetzung von zweiphasigen Wasser-Öl-Gemischen, wenn die Zusammensetzung des Wassers in dem öl schwach ist.

Ihre in der Praxis sehr verbreitete Verwendung kann indessen nur auf Strömungen ausgedehnt werden, welche gleichzeitig einen relativ hohen Wasseranteil und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisen.

Im übrigen ist die Verwendung eines Abdeckstopfens nicht wünschenswert für Bohrlöcher mit mittlerem und hohem Durchsatz, wo er die Verhältnisse durch den sehr hohen Druckverlust in der Sonde und zwischen den Elektroden stört.

Eine andere nicht lange zurückliegende Technik der Entnahme von Proben besteht darin, daß man an Ort und Stelle eine Probe des Mediums isoliert und nach der Trennung der Phasen durch die Gravitation die Position einer Zsvischcnllä'che oder Grenzschicht feststellt, um die entsprechenden Mengen der in der Probe vorhandenen Strömungsmittel festzustellen. Hierzu weist eine Sonde mit einem aufblasbaren Stopfen oder Packer eine Trennkammer auf, welche mit Verbindungsleitungen zur äußeren Umgebung versehen ist und den Strömungsmitteln den Zutritt in die Sonde und durch diese Kammer hindurch gestattet. Diese Verbindungskanäle können vollständig abgeschlossen sein, um eine Probe dieser Strömungsmittel in der Kammer einzufangen, während gleichzeitig die Strömung durch einen anderen Kanal abgeleitet wird.

Dieses Verfahren gestattet es wegen des kleinen Querschnittes des Durchganges der Strömungsmittel in der Sonde eine schnelle Strömung zu schaffen, in welcher der Unterschied zwischen den Vertikalgcschwindigkcitcn der verschiedenen Phasen, der aus

eher Unterschied Gasgeschwindigkeit genannt wird, schwach ist. gegenüber der mittleren Geschwindigkeit der Strömung. Die im Augenblick des Abschlicßens der Kammer eiriecfangcnc Probe ist dann repräsentativ für die Beträge der in dem Bohrloch strömenden Strömungsmittel. Aber ebenso wie die schon besprochene Vorrichtung mit dem kapazitiven Meßfühler und ohne Entnahme einer Probe, bringt diese Art der Vorrichtung bei mittleren und höheren Durchsätzen, d.h. beispielsweise über 10 m-¹'Stunde einen derart hohen Druckvcrlust, daß sie die Aufteilung der Drücke mitunter stört und folglich die Verhältnisse in dem Bohrloch verändert, welche man studieren möchte.

Allgemein ausgedrückt, da sich die nach oben gerichtete Strömung des mehrphasigen Mediums mit einer beträchtlichen Verschiebung der verschiedenen Phasen gegeneinander vollzieht, zeigt die Erfahrung, dall diese /um Inneren des Bohrloches hin differenzierte Bewegung der Strömung die Entnahme von repräsentativen Proben des Mediums sehr schwer macht und gewisse Messungen verhindert.

Man hat daher nach einem cintachen Mittel gesucht, um eine repräsentative Entnahme einer Probe eines mehrphasigen Mediums vorzunehmen, insbesondere um die Zusammensetzung dieses Mediums zu bestimmen und dabei die vorgenannten Schwierigkeiten /u vermeiden. Insbesondere hat man bei in Betrieb befindlichen Strömungen von Bohrlöchern oder Brunnen nach der Konzeption einer Vorrichtung gesucht, die es gestattet, an Ort und Stelle das mehrphasige Mec'ium. insbesondere ein zwciphasiges Medium, in einem weiten Bereich von Durchfiußmcnpcn in verschiedenen Tiefen zu studieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht zum einen im wesentlichen in einer Vorrichtung zum Studium eines mehrphasigen Mediums wie einer Strömung sich mehl vermischender Strömungsmittel in einem in Betrieb bciiiullichcn Bohrloch, mit einer Sonde, die dazu bestimmt ist. in ein iinter.stiehtes Medium eingetaucht zu werden, und welche wenigstens eine Kammer zur Trennung der Phasen unter dem Einfluß der Gravitation sowie Verbindungsleitungen zwischen dem äußeren Medium und der Kammer aufweist So soll die eingangs genannte Vorrichtung in einfacher Weise derart ausgebildet werden, daß sich in der Trennkammer statisch ein für die jeweilige Zusammensetzung des äußeren Mediums repräsentativer Pegel als Grenzfläche der untersuchten Phasen einstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß der obere und untere Durchgang jeweils als Siphon ausgebildet sind. Dadurch wird es ermög-

licht, unter dem Einfluß der Gravitation statisch in der jeweiligen Bohrlochticfe in einfacher Weise und ohne die Meßkammer abzuschließen eine qualitative Bestimmung der Gemischkomponenten des mehrphasigen Mediums vorzunehmen.

ao Die gestellte Aufgabe wird weiterhin bei einem Verfahren zur kontinuierlichen Entnahme einer für ein mehrphasiges Medium repräsentativen Probe unter Verwendung der soeben genannten Vorrichtung crlindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Trcnn-

as kammer in dauernder Verbindung zu der Umgebung durch die den Siphon bildenden Durchgänge während der Messung hält.

«^ ic ixoüc des durch die gekrümmten Durchgänge gebildeten Siphons versteht sich in dem üblichen Sinn, demzufolge der Siphon für jeden Strömungsmittclaustausch zwischen dem Innenraum und der äußeren Umgebung der Kammer eine Richtungsänderung in der vertikalen Richtung oder im Grenz fall wenigstens ein Abbremsen der vertikalen Ge-

schwindigkeit an einem bestimmten Punkt bewirkt Es ergibt sich durch die Gravitation in der Kammer cmc Trennung der Phasen der Probe, wobei das Niveau einer Zwischenfläche zwischen zwei Phasen in permanenter Relation zu der Zusammensetzung

des äußeren Mediums bleibt, in welches die Sonde eingetaucht ist. wenn sich die Vorrichtung in der normalen Meßstcllung befindet. Insbesondere in dem Fall, in dem das äußere Medium als zweiphasig angesehen werden kann, ergibt sich in der Kammer eine

Grenzfläche, deren Pegel direkt repräsentativ für die Anteile der in dem äußeren Medium enthaltenen Phasen ist. Wenn sich die Zusammensetzung der äußeren Stromungsmittel ändert, indem beispielsweise die Sonde an einen anderen Punkt versetzt wird, so

ändert sich auch der Pegel der Grenzfläche.

Diese Erscheinung wird im einzelnen später erläutert, fs reicht in diesem Stadium anzuzeigen, daß die Kammer mit einer oder mehreren Phasen des äußeren Mediums gefüllt ist. in welches die Sonde

getaucht ist. wobei der Slrömungsmittelaustauscn zwischen dem Innenraum und der äußeren Umgebung dieser Kammer quer durch den oberen und den unteren Durchgang erfolgt, sobald die Samen der Strömungsmittel im Inneren und der Außenumgebung

der Kammer sich nicht im hydrostatischen Gleichgewicht befinden. Im Innenraum der Kammer hnben die Phasen die Tendenz, sich gravitätsbeding. zu trennen. Insbesondere wenn ein Gleichgewicht erreicht ist, wird der durch das Knie des oberen Durch-

ganges gebildete Siphon vollständig mit einer leichteren Phase als diejenige Phase gefüllt, die vol'ständig den durch das Knie des unteren Durchganges gebildeten Siphon füllt. In diesem Zustand famt ietkr

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Siphon eine der Phasen ein, die einen Schutz zwischen Gleitprobleme bezüglich der einzelnen Phasen zudem turbulenten äußeren Medium und dem inneren einander gibt.

Medium bildet. Im Gleichgewicht überträgt diese Wenn das strömende Medium nur näherungsweise Strömungsmittelbarriere die Drücke, nicht aber die zweiphasig ist, ist es möglich, nur zwei Phasen in Strömungsmittel zwischen dem Außenraum und dem 5 der Kammer zu erhalten, indem man sich beispicls-Innenraum der Kammer, in welchem die Strömungs- weise der dritten Phase mittels eines Reinigungsmittel von diesem Zeitpunkt an durch stabile Grenz- systems entledigt. Die Messung des Pegels der in der flächen getrennt sind. Kammer verbleibenden Zwischenflächen liefert dann

Der Gleichgewichtszustand zwischen den getrenn- noch einen guten Währungswert für die Zusammcn-

ten Phasen der inneren Säule und den nicht getrennten io sctzung des äußeren Mediums für die beiden Phasen.

Phasen der äußeren Säule drückt sich durch ein Ver- insbesondere wenn die leichteste Phase, in der Praxis

hältnis zwischen den Positionen der Grenzflächen i:.i es das Gas, nur zu einem kleinen Anteil vorhan-

und der Zusammensetzung der äußeren Phase aus. den und ausgesondert ist.

Im Falle eines äußeren zweiphasigcn Gemisches Schließlich kann die Vorrichtung angepaßt wcr-

existiert eine einzige Grenzfläche im Inneren, und 15 den. um an Ort und Stelle an einer der Phasen oder

einer Position der Grenzfläche entspricht eine einzige jeder Phase getrennt Messungen auszuführen, bei-

proz.entuale Zusammensetzung des äußeren Mediums spiclswcisc um an Ort und Stelle einen Zwischen-

und umgekehrt. Die Bestimmung dieser Grenzfläche flächendetektor genau auf einen Unterschied in der

gibt in einfacher Weise die Zusammensetzung an Ort Eigenschaft der beiden Phasen zu eichen. Wenn man

und Stelle in dem äußeren Medium unabhängig von ao beispielsweise den oberen Teil der Trennkammer

den Durchflußmengen wieder, und diese Bestimmung vollständig öffnet und die Siphonwirkung schwächt

kann man mit bekannten Mitteln durchführen, bei- und gleichzeitig den unteren Teil vollständig schließt,

spielsweise mit Kapaz.itäts- oder Widerstandsmeß- füllt sich die Kammer mit der schwersten Phase, und

iühlern. Die Vorrichtung gestattet es. Strömungs- dies gestattet es, eine Messung auszuführen und ins-

mittcl bei minimaler Störung des polyphasischen. 25 besondere die Antwortfunktion des Detektors gegen-

untorsuchten Mediums zu entnehmen, da die Sonde über dieser letzten Phase herauszufinden. Man kann

in tlieses Medium einfach eingetaucht werden kann also die Vorrichtung vorteilhafterweise mit einem

i::vJ tue Strömungsmittel weiter um die Sonde herum- einfachen Mechanismus verschen, der es gestattet.

strömen können. den vorstehenden Versuch durchzuführen, und es

Diese Vorrichtung macht darüber hinaus in vorteil- 30 kann ein komplementärer Mechanismus vorgesehen

!lüfter Weise von der hohen Genauigkeit Gebrauch, werden, durch den der inverse Versuch durchgeführt

liii- ilen Meßeinrichtungen eigen ist, welche getrennte werden kann, um den Detektor für die leichteste

Strömungsmittel heranziehen, um eine physikalische Phase durch geeignete ferngesteuerte Mittel zu

Eigenschaft dieser Phasen zu messen oder die Grenz- eichen.

lliidie zu orten. Die Vorrichtung nach der Erfindung 35 Im folgenden werden bevorzugte Ausführungs-

is· ..unhl ihrem Aufbau nach als auch ihrer Hand- heispiclc der Erfindung an Hand der Zeichnungen

h::i".mg nach einfach. Die Durchgänge, welche die erläutert; es stellt dar

\ eihindunc zwischen der Kammer mit dem Außen- Eig. 1 ein Prinzipschema einer Vorrichtung nach

nvihnm herstellen, können dauernd während der der Erfindung, die in ein in Betrieb befindliches Bohr-

Mi billig geöffnet bleiben, so daß keinerlei Betätigung 40 loch eingetaucht ist und ursprünglich nur eine ein-

\i ι Ventilen oder einem anderen diskontinuierlich zige Phase des äußeren Gemisches aufweist,

!'inki'onicrendcn System erforderlich ist. Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. K nachdem

l?ei in Retrieb befindlichen Bohrlöchern verwendet sich das Gleichgewicht zwischen den inneren und

it:. ; eine verlängerte Sonde, an welcher am Ende ein äußeren Medien eingestellt hat,

K.ibel angebracht werden kann, um sie zu versehie- 45 Fig. 3a und 3b Einzelheiten des möglichen Auf-

Kn. Diese Sonde kann ein einfaches zum Innenrnum haus der Vorrichtung.

i uitudinal gerichtetes Rohr aufweisen, in welchem Fig. 4 den Aufbau einer Vorrichtung nach der

die Kammer zur Trennung der Strömungsmittel au»- Erfindung, die mit einem Detektor für den Pegel

gebildet ist und welche die seitliche Trennung gegen- der Zwischenfläche und mit elektrischen Schaltkrei-

iikr der Außenumgebung sicherstellt. Zu den Enden 50 sen \ctsehen ist.

dieses Rohres hin sind die Durchgänge angebracht. Fig. 5a, 5b, 5c drei Eichstufen der Vorrichtung

welche Siphons bilden, um den Innenraum mit der nach der Erfindung und

Autknumgebung zu verbinden. Es ist keinerlei Ab- Fig. fra und 6b einen Längsschnitt zur Erläutc-

deckungssystcm für das Bohrloch erforderlich, um rune der mechanischen Ausführung einer Sonde nacli

die Verrichtung funktionieren zu lassen, und diese 55 der Erfindung.

arbeitet nicht notwendigerweise diskontinuierlich Ein Fall, in welchem mehrere Phasen mitcinnndei

Μηπ kann sie vielmehr kontinuierlich verschieben. vermengt sein können, ist durch eine Strömung au·

und der Pegel der Grenzfläche stellt sich als Funktion mehreren sich nicht vermischenden Strömungsmitteln

drr Zusammensetzung des äußeren Strömungsmittel beispielsweise in einem Rohr dargestellt. Wenn dii

ein. Man kann die Sonde beispielsweise rclati\ schnell 60 Neigung der Strömung gegenüber der Horizontaler

in einem ersten Du.chgang durch das Bohrloch stark ist. wie dies praktisch immer der lall beirr

schieben um die Unregelmäßigkeiten *u erfassen und Betrieb eines Bohrschachtes oder Brunnens ist. s^;m

man kann sie dann nochmals durchlaufen lassen, um die Phasen in der Regel in der Strömung eng mit

die Verhältnisse im einzelnen zu untersuchen. einander vermengt, und die leichten Phasen habei

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann sowohl 65 die Neigung, schneller in dem Bohrloch auf/usteigei

von kleinen Durchflußmengen an als auch bis ra er- als die schweren Phasen.

höhten Durc'niiüßniengcn hin verwendet werden. Fic. 1 stellt ein xcrtikalcs Bohrloch 1 mit eine

d. h. also in all jenen Fällen, in denen es erhebliche /weipluisigen Strömung dar. die sich aus einer schwv

ren Phase, beispielsweise Wasser 2 zusammensetzt, in welchem sich Blasen aus einer leichteren Phase 3, beispielsweise öl, verschieben. In dieser Strömung ist längsseitig eine verlängerte, schematisch mit Strichen dargestellte Sonde 4 eingetaucht. Diese Sonde ist mit einem Befestigungsansatz 11 für ein Kabel oder Seil 13 versehen, das von der Oberfläche bis in das Bohrlochtiefste hintinterragt und an dem die Sonde aufgehängt ist, um in dem Bohrloch 1 verschoben zu werden. Die Sonde 4 weist im wesentlichen ein Rohr 5 mit einem oberen Ende 6 und einem unteren Ende 7 auf. Die Innenwand des Rohres 5 begrenzt seitlich eine Kammer 8, Trennkammer genannt, die aber über Verbindungsleitungen mit der Außenumgebung verbunden ist, wie noch erläutert wird. Die Enden 6 und 7 des Rohres 5 sind durch Endkappen bedeckt. Jede dieser Endkappen besitzt einen Boden, der durch eine transversale Wand 12 gebildet ist, die sich im Abstand 1 gegenüber den Enden 6 bzw. 7 des Rohres 5 befinden, sowie Endstücke 9 und 10 mit seitlichen rohrförmigen Verlängerungen 14, welche das Rohr 5 nahe seinen Enden auf einer Höhe /i umgeben. Zwischen den Verlängerungen 14 und dem Rohr ist ein ausreichender Zwischenraum für ringförmige Durchgänge 15 und 17 ausgebildet. Der Durchgang 15 ist in Fig. 3a an dem Endstück 9 gut sichtbar. Er weist eine ringförmige Öffnung 16 zum Außenraum hin auf, die sich in einer Ebene P₁ rechtwinklig zur Achse des Rohres 5 befindet. In F i g. 3 a mündet dieser Durchgang zum oberen Ende 6 des Rohres 5 in einer Höhe Λ über der Höhe der Öffnung 16. In gleicher Weise bedeckt das Endstück 10 (Fig. 1 und 2) in umgekehrtem Sinn das untere Ende 7 des Rohres 5, so daß es einen Durchgang 17 begrenzt, der am unteren linde 7 des Rohres in einem Abstand /i unter der Ebene P., der öffnung 18 zur Umgebung hin geöffnet ist.

Die durch das Rohr 5 bcgren/.te Kammer 8 steht somit durch zwei gegenüberliegende Durchgänge 15 und 17 auf verschiedenen Höhen in Verbindung mit der Umgebung, wobei sich der eine Durchgang über dem anderen befindet. Der obere Durchgang läßt die beiden Anteile der Ebene P₁ in Verbindung treten, die sich einerseits im Innenraum und andererseits im AuLknraum des Rohres 5 befinden, und der untere Durchgang laßt die beiden Anteile der Ebene P₂ in Verbindung treten, die sich jeweils innerhalb bzw. außerhalb des Rohres 5 befinden. Die beiden Durchgänge weiser jeder einen gekrümmten Abschnitt auf, und zwar nach oben beim oberen Durchgang und nach unten beim unteren Durchgang, so daß zwei Siphons ausgebildet sind. Wenn sich die Sonde in der in F i g. 1 dargestellten Position befindet, ergibt sich, daß jeder Strömungsmittelaustausch zwischen der längsseitig begrenzten Kammer 8 über die Ebenen P₁ und P„ und den Außenraum der Kammer durch den einen oder den anderen der Siphons und sonit mit einem Wechsel der vertikalen R":htung erfolgen muß. Es ergibt sich dar. us, daß die beiden Durchgänge in ein zweiphasiges Medium eingetaucht sind, bei dem die eine Phase schwerer als die andere ist, und der Siphon des oberen Durchganges hat die Tendenz die leichtere Phase einzufangen so wie der Siphon des unteren Durchganges die Tendenz hat, die schwere Phase festzuhalten.

Wenn eine derartige Sonde sich in einer Strömung aus zwei sich nicht vermischenden Strömungsmitteln befindet und die Kammer selbst mit einer beliebigen zweiphasigen Zusammensetzung gefüllt ist, so stellt man fest, daß sich Austauschströme zwischen dem Innenraum und dem Außenraum der Kammer ausbilden, bis ein Gleichgewicht erreicht ist, in welchem die im Inneren der Kammer vorhandenen Phasen durch die Schwerkraft getrennt sind. Dabei ist der Pegel der Grenzfläche I repräsentativ für die Zusammensetzung des außen vorbeifließenden Strömungsmittels.

Um die vorstehende Erscheinung zu erklären, muß vermutet werden, daß in dem Augenblick, in dem die Sonde in die Strömung eingebracht wird, sie sich vollständig mit der schwersten Phase füllt, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Strömung ist ansteigend. Man kann den Druckunterschied p₂ — p, zwischen den Ebenen P₂ und P₁ außerhalb der Sonde ausrechnen:

(1)

dabei bedeuten n_m die mittlere Dichte des strömenden Mediums, g die Gravitationsbeschleunigung, // den Abstand zwischen den Ebenen P₁ und P₂ und as schließlich A₁, den Druckverlust der mehrphasigen Strömung zwischen den Ebenen P₁ und P₂.

Der Unterschied der Drücke zwischen den Ebenen P₁ und P₂ beim Durchgang des Innenraumes des Rohres 5 kann angegeben werden mit:

P₂' ~ Pi' '■= OmSH + ρ_ά + p/

dabei sind n_n die Dichte der schweren Phase, welche die Kammer 8 füllt, p,, der dynamische Druck, der an der Spitze der Kammer 8 wegen der Strömung herrscht, und p_d' der dynamische Unterdruck wegen der gleichen Ursache.

Man kann davon ausgehen, daß die Ausdrücke . I_n, P_d und ρ/ vernachlässigbar sind, und die Erfahrung zeigt, daß sogar bei großen Durchsätzen diese Annäherung annehmbar ist. Angenommen n_m ist kleiner als <>„, so ist der Unterschied der Drücke (p.,' - P₁') beim Durchgang durch den Innenweg größer als derjenige (p₂ P₁), der sich beim Durch-

gang außerhalb des Rohres einstellt. Es ergibt sich also notwendigerweise ein abfallender Strom zum Rohrinncren hin, dessen Betrag derart ist, daß die sich ergebenden Druckvcrluste gleich dem Unterschied der erwähnten hydrostatischen Drücke ist.

Der physikalische Mechanismus des Austausches zwischen dem Innenraum der Kammer und dem Außenraum ergibt sich wie folgt: Blasen der leichteren Phase treten am oberen Ende des Rohres durch die öffnung 16 ein, nachdem sie den oberen Teil des Endstückes 9 gefüllt haben, bis ein äquivalentes Volumen der leichteren Phase durch die Öffnung 18 entwichen ist. Durch den Einlaß der leichten Phast zur Spitze der Kammer 8 wird die vorhandene Strömungsmittelsäulc in der Kammer leichter. Der Unter schied der hydrostatischen Drücke zwischen der inne ren Säule und der äußeren Säule des Strömungs mittels verringert sich schließlich bis auf 0, un< gleichzeitig trennen sich die Phasen gravitätshedmgt und die Grenzfläche stellt sich fest auf einer Höhe H bezogen auf die Ebene P, ein, und bleibt stabil, fall die Zusammensetzung der äußeren Strömung in der jenigen Höhe, in welcher sich die Sonde befinde! konstant bleibt.

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In dem Zustand gemäß Fig. 2 kann man das und überträgt die Drücke zwischen dem Außenraum Gleichgewicht der hydrostatischen Drücke angeben, und dem Innenraum. Wenn die Zusammensetzung wobei der Betrag im Inneren des Rohres 0 ist. des äußeren Mediums sich ändert, kann sirh ein

Beim Durchgang durch das Rohrinnere gut: kompensierender Austauschstrom zwischen dem

5 Innenraum und dem Außenraum durch die Siphons

P>~Pi ~ ~^QiS hindurch ausbilden, so daß ein neues Gleichgewicht

■+- (h + H')()_ig + (//" + h) gQd — /i£?/;g (3) angestrebt wird. Wenn dieses Gleichgewicht erreicht

ist, bleibt es stabil, solange die Zusammensetzung

dabei ist H" — H — H', und », bedeutet die Dichte gleichbleibt. Versuche haben bestätigt, daß die der leichten Phase. io Gegenwart eines Siphons an jedem Ende der Kam-

Beim Durchgang durch die äußere Umgebung des mer eine notwendige Bedingung für die Stabilität Rohres gilt: der Säule des Strömungsmiitels im Kammerraum ist.

Die eigentliche Ausbildung dieser Siphons kann

p,,' — P₁' = H · n„,g (4) ver^cchiedene Formen annehmen. Die Fig. 3 b stellt

15 eine Ausführungsform dar, in welcher die Durch-

Om — ^Fi' £>i + ^fi>' 'Jn (5) gärige zwischen dem Rohr und der Außenumgebung

nicht längsseitig ausgebildet sondern transversal ge-

r, und e_n geben jeweils die Konzentrationen der neigt sind. Lediglich der obere Abschnitt dieser Vorleichteren und schwereren Phasen in dem Medium an. richtung ist mit dem oberen Ende 6' des Rohres S'

Aus den Gleichungen für p„ — p, f p.,' — p/ er- 20 dargestellt. Ein Endstück in Form einer Kappe 9', hält man: dessen innerer Rand kegelstumpfförmig ausgebildet

ist, kommt über einem kegelstumpfförmigen Ab-

„_m _- .„-j... . ρ_η (6) schnitt am oberen Ende des Rohres 5' zu liegen, um

H * Il einen Kanal 15' mit einer Öffnung auszubilden, die

25 zur Außenumgebung 16' in einer Höhe unterhalb des

Aus den Formeln 5 und 6 ergibt sich, daß die Kon- Endes 6' des Rohres 5' liegt. Andere Formen komzentrationen «, und t_D der Phasen proportional den plizierterer Durchgänge sind möglich, falls sie einen Höhen H' und H" sind, oder mit anderen Worten, Siphon darstellen, welcher in der vorhergehend angedaß der Pegel der Grenzfläche repiüseniativ für die gebenen Weise ausgerichtet ist. Im übrigen können Zusammensetzung des äußeren Mediums ist. 3η die Form der Durchgänge und die Orientierung der

Die Druckvcrluste der Strömung in dem Bohr- öffnung auf die Geschwindigkeit einwirken, mit welschacht und die dynamischen Über- und Unterdrücke eher sich das Gleichgewicht in der Kammer einder in der Kammer 8 verbleibenden Strömungsmittel- stellt, wenn sich das äußere Medium ändert. Diese säule sind vernachlässigt worden, und die Entsprc- Geschwindigkeit ist groß bei Durchgängen wie denchung zwischen dem Pegel der Grenzfläche und den 35 jenigen der Fig. 3 a und 3 b, welche leichten Ausentsprechenden Anteilen der Strömungsmittel in der tausch zwischen der Kammer 8 und der Außenumgc-Strömung ist unvollkommen. Manchmal sind die bung ergeben, und sie gestatten die hinreichend Wirkungen dieser beiden Fehlerursachen entgegen- schnelle Ausbildung der Grenzfläche, um annehmgesetzt gerichtet und neigen dazu, sich auszulöschen. bare Messungen zu erreichen, wenn man eine der-Dadurch kann man eine gute Genauigkeit selbst bei 40 artige Sonde kontinuierlich verschiebt, höheren Durchsatzmengen erhalten. Im übrigen ist Die Siphons kehren die Richtung der vertikal

es immer möglich, einen Korrekturausdruck einzu- bewegten Teilchen um. welche zwischen dem Innensetzen, um diesen Faktoren Rechnung zu tragen, raum und dem Außenraum der Kammer ausgewenn vorausgesetzt wird, daß die allgemeine Ge- tauscht werden. Im Grenzfall würde es ausreichen, scliwindigkeit der Strömung sehr wichtig ist. Manch- 45 daß die Durchgänge eine vertikale C -chwindigkeit 0 mal bringt in diesem Fall die Bestimmung der an wenigstens einem Punkt der Bahn zwischen der Zusammensetzung des Strömungsmittels weniger Umgebung und dem Inn2nraum der Kammer bewir- Schwierigkeiten mit sich, als die Bestimmung nied- ken. Man nähert sich diesem GrenzfaU, wenn man den riger Schwierigkeiten. In der Tat verlieren dann die Durchgang 15' der F i g. 3 b mehr und mehr zur Hori-Gteiterscheinungen ihre Bedeutung gegenüber der 5° zontalen neigt, wobei die Höhe h zwischen der öffallgemeinen Geschwindigkeit der Strömung, und das nung der Kanäle zur Umgebung und das die MeO-Medium neigt dazu, sich ähnlich wie ein mono- kammer begrenzende Rohrende gegen 0 streben, phasiges Medium zu verhalten. Dennoch kann davon ausgegangen werden, daß ohne

Die Einfachheit der beschriebenen Vorrichtung ist tatsächliche Siphons in den oberen und unteren offensichtlich. Sie bewirkt eine repräsentative Ent- 55 Durchgängen die Wirkung der Tropfen oder Blasen nähme des Strömungsmittels, das die Sonde an dem wegen der Turbulenz des äußeren Mediums in der Ort umgibt, wo die Sonde eingetauscht ist. unab- Kammer durch diese Durchgänge hindurch nicht erhängig von den Durchflußmengen der Strömungs- folgen würde und sie die Stabilität der Grenzfläche mittel durch das Bohrloch und unabhängig von deren im Gleichgewicht stören wurden, relativen Gleiten. Man kann diese Probe dazu ver- 60 Die prinzipiell in den F i g. 1 und 2 dargestellte wenden, um sofort und an Ort und Stelle die Zu· Sonde ist vorteilhafterweise mit einem Detektor für sammensetzung des Mediums beispielsweise mittels den Pegel der Grenzschicht ausgerüstet. M.-.n kann einer Feststellung des Pegels der Grenzfläche heraus- hierzu einen Meßfühler verwenden, der unterschiedzufinden. lieh auf verschiedene Eigenschaften der zu unter-

Die die Siphons bildenden Durchgänge zwischen 65 suchenden Phasen reagiert, beispielsweise einen dem Innenraum und dem Außenraum des Rohres kapazitiven Meßfühler.

erlauben die Ausbildung eines stabilen Gleichge- Die in F i g. 4 dargestellte Sonde ist mit einem der-

wichtes. Jeder Durchgang hält eine der Phasen fest artigen Meßfühler ausgerüstet. Sie weist einen Son-

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dcnkoiper20 aiii, son dem lediglich ein Teil dar- des Meßfühlers, und die einstehenden Frequenz^

gesiellt isi, der eine zentrale Sifule 21 enthält, die signale werden direkt di-rch den Oszillator KC 35

/ssei serlänrerle Abschnitte 22 und 23 verbindet. /ur Oberfläche über das gepanzerte Kabel 37 utvr-

De r Sondenkorper im an seinem oberen Abschnitt tragen, an dem die Sunde aufgehängt ist und^ i.^

mit einem nicht dargestellten Bcfcsligungsansai/ fÜ! 5 ebenso den Speisestrom der Spannungsquelle My

ein Seil oder Kabel seihunden. an dem die führt.

Säule aulgchängl ueiden kann, um in dem Bohrloch Wegen der grollen Vielfalt der Strömungen und

■·. erschollen zu sscrden und ur.i se) die Signalüber- der 1 igenschalten ihrer Phasen ist es crtorderhUi.

wagung /\sischen der Sonde und der Oberfläche die Anlss'irtfunkiion des Meßfühler bei jeder de:

■ :e!-.ei it-!eilen. Der Sondenköuxi kann serschiedeiie iu individuellen Phasen /u kennen, um ein·.¹ gute

iiKreiiiander angeordnete Werkzeuge vorsehen. Messung de* l'ejels der (iren/ll'äche sorzunehnien.

\\cnn die Sonde zusammen mil anderen Vorrichlu.i- Gemül.l 1·'i g. 4 besteh! eine Möglichkeil beisp^K

Leu /ur 1,'ntcrsuchung eines im Beirieb befindlichen n-ise darm, nahe jedem l-.nde der Kammer 25 m

P.ohilodies seissendet s/ud. I m die Säule 21 herum !lohe der oberen u:;d unteren Siphons eine EiJi

und z\Nisdicn den Abschnitten 22 und 23 is: ein 15 kapazität vorzusehen, die eine signifikante Anns.'·;

Rohr 24 eines größeren Durchmessers vorgesehen, tunkiion der duuh den Siphon festgehaltenen Pi..is-.

als der Durchmesser der Säule 21 beträgt, um einen abgibt. Diese Anlvsortfunküon erlaubt es, y.u L-idi

rir.gförmigen Raum zwischen dem Rohr und der zwecken zu bestimmen, welches die Antwortfunktion

Säule auszubilden und seitlich eine Meßkammer 25 des Hauptmeßfühlers bei dieser einzigen Phase svä.e.

zu begrenzen, in welcher die Trennung der Phasen ao Die Hichkapazitäten sind eine Elektrode, die durch

erfolgt und welche der vorgenannten Kammer 8 ent- das Metallrohr 24 gebildet ist, und andere Elcktro-

spricht. Das obere linde 26 des Rohres 24 ist in den 39 und 39', die an der Säule 21 in den oberen

einem bestimmten Abstand zu einer Querwand 28 bzw. unteren Siphons getragen sind. Die Leiter 42

des vergrößerten oberen Abschnittes 22 des Sonden- und 42' dieser Elektroden 39 und 39' können svech-

körpers 20 geölinet, solange das untere linde 27 des 25 seiweise mit dem Oszillator RC 35 mittels eines

Rohies sich im Abstand von einer Querwand 29 off- Wählschalters 43 verbunden werden, der mit unter

net. die einstückig mit dem verlängerten Abschnitt 23 brochenen Linien dargestellt ist, in dem sich auch

des Sondenkörpers 20 verbunden ist. Eine seitliche der angeschlossene Leiter 32 befindet. Der VVähl-

rohrförmige Verlängerung 30 umgibt das Rohr 24 an schalter 43 wird von der Oberfläche aus über einen

seinem oberen I-.nde 26. um einen Durchgang aus- 30 Leiter 43' des Kabels 37 gesteuert, indem wahlweise

zubilden, der einen nach oben gekrümmten Abschnitt der Oszillator auf den Hauptmeßfühler oder auf die

hat und /wischen der Außenumgebung und dem In- eine oder andere der Eichkapazitäten geschaltet

nenraum der Kammer 25 einen Siphon ausbildet. In svird.

gleicher Weise umgibt eine rohrförmig«.· Verlange- Man kann auch in bekannter Weise einen kapa-

rung31 das Rohr 24 nahe seinem unteren Ende 27. 35 zitiven Meßfühler verwenden, aer an Stelle eines ein-

Die Kammer 25 bildet den Raum zwischen den zigen zylindrischen Kondensators durch eine verti-Elektrodcn des kapazitiven Meßfühlers. Das Rohr 24 kale Folge elementarer, gleichartiger, übereinander besieht aus Metall und bildet eine Masse-Elekirode angeordneter Zylinderkondensatoren aufgebaut i*t. für den Meßfühler. Die andere Elektrode des Meß- Ein Drehschalter verbindet nacheinander jeden dieser fühlcrs svird durch eine metallische Buchse 32 gebil- 40 Kondensatoren mit dem Oszillator. Die oberen Kondet. die auf der Säule 21 angebracht ist; beide Elck- densatoren ergeben ein für die leichte Phase signiii- troden sind mit einer Spannungsquelle verbunden. kantes Signal, die unteren Kondensatoren ergeben Diese Buchse ist mit einer dicken Schicht 33 aus ein für die schwere Phase signifikantes Signal, und einem IsoliersU.II bedeckt, der möglichst nicht lcuch- im allgemeinen gibt einer der Kondensatoren zsviligkeitsempfindlich ist, beispielweise aus Polyleira- 45 sehen den beiden ein Zwischensignal, das der Pusi-Ikioräthylen. Ein Meßfühler dieser Art ist im ein- tion der Grenzfläche in Höhe des Kondensators einzelnen in dem französischen Patent 1 321 545 und spricht. Wenn man die Anordnung dieses Kondenin dem '/.usal/patent <S2 7S0 beschrieben. Diese Art sators in bezug auf die Position des Wählschalter von Meßfühler ist schon dazu verwendet worden, kennt, kann man mit Genauigkeit die Position der um direkt die Zusammensetzung mehrphasiger 50 Grenzschicht in der Kammer durch Interpolation beMedien des Ts ps Wasser Öl zu messen, die sich in stimmen.

Bewegung belinden. Bei der beschriebenen Vorrich- Ein andeies Mittel zur Eichung des Meßfühlers Hing wird der Meßfühler dazu verwendet, die Ge- besteht darin, daß man die Trennkammer veranlaßt,

samikapazität des Slrömungsinediums zu messen, das sich mit einer der Phasen und dann mit der anderen

in der Kammer 25 /.uriickgcliultun wird, Das Strö- 55 Phase zu füllen, und zwar an der Stelle des Bohr-

mungsmedium ist aus zwei Anteilen zusammen- lochcs. an der die Messung vorgenommen werden

gesetzt, welche verschiedene dielektrische Eigen- soll, wobei jedesmal die Reaktion des Meßfühlers

schäften haben und durch eine stabile Grenzschicht zur Eichung gemessen wird. In diesem Fall sind am

gelrennt sind, wobei die Antwortfunktion des Meß- Eichvorgang mechanische Mittel beteiligt. Die Vor-

filhlers von dem Pegel der Grenzschicht abhängt und 60 richtung nach der Erfindung kann sehr einfach zu

eine genaue Anzeige in einem Bereich der Zusam- einer derartigen wahlwcisen Füllung der Kammer

mcnsciz.ung zwischen 0 und K)O¹¹Ze abgibt. mit der einen oder anderen Phase herangezogen wer-

Zur Speisung des Meßfühlers und zur Messung den. Es reicht aus, den einen der Durchgänge abzusind die IElektroden 24 und 32 mit Leitern 34 und 38 decken und gleichzeitig die Kammer in direkte Ver- und einem Oszillator RC35 verbunden, der selbst 65 bindung mit dem äußeren Raum an der Seite des mit einer Spannungsquelle 36 verbunden ist. Die gegenüberliegenden Durchganges zu bringen, wie mit I icqiieiiz des Oszillatorkreises, mit dem der Meß- Bezug auf die Γi μ. 5a, 5b und 5c erläutert wird. Hs liihler verbunden ist, iindcrl sich mit der Kapazität ist anzumerken, daß hierdurch allgemein Messungen

_ϊη On und Stelle an einei der Phasen in Geneimarl _des betrachteten Mediums Mirtaiinmiiai werden könne;!.

I·,;· ^ a stellt im em/elnm cmc Sonde d;,r. die gleich dcrjen: - der 1- ι μ. 4 angebaut ist. wobei die gleich π Teil«, nit den gleichen He/üL's/eichen \.-r-_Sehe;'. -md. An den Enden der /entölen Säule 2! vsL-i-i <i-T Sond-nkörper zwei ν e.Lni:.·: te Ah.clmiue 22' i::ui 23' auf, um we ehe herum /y.ei gleitende r£_mk;.,ike40 unJ 41 angeordnet sind. Diese können liin_r.^,;iu entlang der Säule 2! ser-ahobeii werden. In ,;!■>■ normalen Stellung hegen Me ._:n den ^^-hul tern -Ή und 49 an und bilden Veil ^hui^ii /wi_sc1k-!. der zentralen Säule 21 und de:, -. ei fan-ei-.en Absei- -ilen 22' und 23'.

I) I iidstück 40 wird im wesen'.k-'ie;, duieh eine zyliiR'ii>ehc Buchse gebildet, welche in ihrem miltleren Abschnitt durch eine Trennwand 80 zweigeteilt ist, d".e ein Durchgangsloch aufweist, in welches die Sau!'.· 21 hineinragt. Diese Trennwand 80 begrenzt dic schon in Verbindung mit F i g. 4 erwähnte Querwaiui 28 und kann an der Schulter 48 liegen. Der ober. Abschnitt 44 der Buchse 40 liegt in der normaler. Stellung an dem verlängerten Teil 22' an. Der umv-e Abschnitt dieser Buchse bildet die schon erwähnte rohrförmige Verlängerung 30. Der Aufbau der Buchse 41 ist gleich demjenigen der Buchse 40. Sie ;si durch eine Trennwar.u 81 unterteilt, welche die Querwand 29 bildet, und weist einen unteren Abvhnitt 46 auf, der in der Normallai>e an dem vcr- !änderten Abschnitt 23 des Sündenkörpers 20 anliegt und einen oberen Abschnitt, der die rohrförmn.-.· Verlängerung 31 bildet.

jede der Trennwände 80 und 81 ist mit mehreren Öffnungen 50 versehen, durch welche die beiden inneren Teile jeder Buchse in Wandung stehen. An der Stellung der Fig. 5 a sind die Öffnungen einseitig durch die Schultern 48 und 49 bedeckt. Auf dem Umfang der entsprechenden seitlichen Abschnitte 44 und 46 der Buchsen 40 und 41 sind Öffnungen 52 vorgesehen, welche den Innenraum und den Außenraum der Buchsen verbinden. In der Stellung der Fi ί 5a sind die Öffnungen durch die Seitenwändc des~Sondenkürpers bedeckt.

Das Rohr 24 ist seinerseits längsscitig beweglich und kann entlang dem Sondenkörper und gegenüber den Buchsen 40 und 41 gleiten. Bei dieser längsscitigcn Verschiebung nimmt das Rohr die Elektrode

32 dos Meßfühlers und dessen dielektrische Schicht

33 mit, welche Teile einstückig mit dem Rohr durch in den Fie. 5a bis 5c nicht dargestellte Befcstisunsen verbunden sind. Die Elektrode 32 weist" die gleichc Länae auf wie das Rohr 24. gegenüber vvelehern sie befestigt ist. In der F i g. 5 a befindet sich das Rohr 24 in der normalen Bctriebsstellung, die dem Schema der F i g. 1 und 2 entspricht.

In F i g. 5 b ruht die Buchse 41 in der besagten Normalstellung. Das Rohr 24 ist längs des Sondenkörpers abgesenkt, und sein unteres Ende 27 gelangt jetzt in dichten Kontakt mit der Querwand 29 der Trennwand 81. Das untere Ende der Kammer 25 ist gegen die Umgebung isoliert, und der untere Durchgang ist somit abgedeckt. Die obere Buchse 40 ist längs des Sondenkörpers gleichzeitig mit dem Rohr 24 abpcsenkt, und zwar genau um den gleichen Betrag. Die oberen öffnungen 50 und 52 sind nicht mehr durch den Sondenkörper abgedeckt und lassen den oberen Teil der Kammer 25 in direkte Vcrblndung mil der Un.gebung ire'en, d.h. also ohne Zwischeiisiphoii, wie der Pfeil 55 anzeigt. Dadurch _k._{iml dtr} siroinungsmitlelaubtausch direkt und ohne Richtungsumkehr durch die Gravitation crlolgen_ Insbesondere hat die leichte Phase in der Rammer -5 eine Neigung, durch die Öffnungen 5(» und 52 zu entweichen und dort durch eine gleichgioße Menge der schweren Phase ersetzt zu werden, welche, nachdem sie sich einmal an Ort und Stelle befindet, nicht mehr _iu entweichen kann, weil das untere Ende der Kammer verschlossen ist. Dieser Austausch läuft weiter bis. das gesamte Rohr 24 mit der schweren Phase angefu t ist. In diesem Augenblick ist es möglich, den MeU-iüiiler arbeiter, zulassen und seine genaue Reaktion ,_{5 au}f die schwere, an der betrachteten Stelle des Bohrloches belindliche Phase zu bestimme.ι. In der Stellung gemaii Fig. 5 b bildet das Ende 27 des Rohres in Verbindung mit der Querwand 29 ein Verschlußglied für den unteren Durchgang, und die Öffnung 52 der gegenüberliegenden Buchse 40 wirkt als Onnungsvorrichtung für die Kammer der gegenüberliegenden Seite.

In der dargestel ten Position in Fig. 5c wird der umgekehrte Vorgang ausgeführt: Die Buchse 40 befindet sich in der Normallage, und das Rohr 24 ist derart angeordnet, daß es an seinem oberen Ende durch die Querwand 28 und den Abschnitt 22 abgeschlossen ist. Die das Rohr 24 umgebende Buchse 41 ist nach oben verschoben. Die öffnungen 52 und 50 stellen eine direkte Verbindung des unteren Endes 27 des Rohres 24 und der Umgebung entsprechend dem Pfeil 56 ohne den Siphon dar. Es stellt sich ein doppelter Fluß über diesem Durchgang ein, bis die Kammer 25 vollständig mit der leichten Phase gelullt ist. In dieser Stellung kann man den kapazitiven Meßfühler für die vorhandene leichte Phase eichen. Nachdem die Eicuung durch die in den l· 1 g. 5 D und 5 c dargestellter. Vorgänge sichergestellt worden ist, kann man das Rohr 24 und die Buchsen 40 una 41 in ihre normalen Lagen der Fig. . a zuruch.-bringen, um zu der eigentlichen Messung der z.usammensetzung zu gelangen. Der Pegel der Grenzfläche, welche sich in de- Kammer 25 ausbildet wiru durch Ablesen der Anzeige des kapazitiver. McU-fühlcrs und Interpolation gemessen, wobei man von den vorhergehenden Eichmcssungen ausgeht, wenn die Lage der Elektrode 32 des Meßfühlers mit dessen dielektrischen Schicht 33 unabhängig von der Position des Rohres 24 bliebe und wenn diese I eile beispieisweise mit der Säule 21 i;i der Stellung ~er 1- ig. .-a verbunden wären, konnte man auch die fcicnung erreichen, indem man von den vorhergehenden uperationcn ausgeht und einen Korrekturwert erm.itel . Wenn man die F ig. 6a und 6b zusammenlegt, und zwar 6 b über 6 a, so ergibt sich eine Ausruhrungsform der mechanischen Teile der Vorrichtung. Dabei sind für die gleichen Te₁Ie diegleichen Bezugszeichen beibehalten worden, und *e folgende Be-Schreibung soll verschiedene Einzelheiten des Aubaus zeigen, welche erforderlich sind, um die Vo richtung arbeiten zu lassen, und die noch nicht d.irgestellt worden sind ..,i^inlo

Auf der Sonde der F, g. 6a ist die zentralc S. ulc 21 sichtbar, um welche herum das Rohr 24 angcordnet ist, um die Kammer 25zu begamzen D.^ Ab schnitte 22 und 23 des Sondcnkorpc_; rckη dual geneigte G jeder gebildet, die.zum T c.! auldc SjuU. und 7.11m I eil auf dem Rohr 24 .ing.oiUnu sum.

2 157 °.54

if

Das zylindrische Rohr 24 ist an einer auiJcren !eicht kugelförmigen Fläche nahe seinen Eiiden 26 und 27 veiduiint. In dieser Hiihe sind die Wiinde des Rnhres 24 jeweils mit rohrförmigen Verlängerungen 30 und 31 überdeckt, deren innere Flächen eine einsprechende, sehwach kegelföimige form autucisen. «ι daß ieiehl gegenüber del Vertikalen geneigte iiii>:· InriMgc Durchgänge 58 und 59 ausgebildet weiden Die Buchsen 40 und 41 sind in Richtung dc> Ronro 24 duich /v.ei Glieder M) Ivw. 61 sei !angelt, die an ihren Hilden längsseitige öffnungen 62 und 63 aul-'.■■.eisen, in welche (ilcit/uptcn (>4 uiv.l 65 ■. .uuieiien. die .πι dem RnIu 24 nahe dessen F.ndeu bck-MiiM m<hI. Wenn ich das Ruhr 24 in der in F i u.'m daiue- -tellk-ii Nnruiallage befindet, die der in f· ι ». 5 a ihn umstellten Mcßposiiion entspricht, be finden S₁Ci₁ die Zapfen 64 und 65 sind seitlich in den öffnungen 62 und 63 11 Richtung /u den Enden der Cilieder 61 und 60. D; rauf ergibt sich, daß die gesamte längsseitige Bewegung des Rohres 24 dazu neigt, eine der Buchsen mitzunehmen, wobei sie diejenige Buchse, der sie sich nähert, in der Normallagc beläßt. Die zapfen 64 und 65 <ind seitlich in den Öffnungen 62 und 63 geführt, und man erhält so ein Verbindungssystem in einer Richtung, welches die in den F i g. 5 a, 5 b und 5 c dargestellte Handhabung durch da« Rohr selbst gestattet. Die Steuermittel des Rohres gestatten so, daß d.<s Verschlußglied für einen der Durchgänge und die Öffnungsvorrichtung der Kammer der Seite des gegenüberliegenden Duichganges zusammenwirken. DiJ Buchsen 40 u'id 4¹ sind gleitfähig auf dem Sondenkörper aufgebracht und in einem System verlängerter Fenster 70 für die Buchse 40 und 71 und 72 für die Buchse 41, und in den Fenstern sind Zapfen 74, 75 und 76 zur Begrenzung der Bewegung angeordnet. Die seitlichen Trennwände 80 und 81 der Buchsen 40 und 41 sind auf ihren beiden Flächen mit ringförmigen Dichtfugen 82, 83, 84 und 85 versehen. Die Dichtfugen 82 und 84 sind in Jen Ouerwänden 28 und 29 enthalten und bilden eine Dichtung für die Enden 26 und 27 des Rohres 24. Die Fugen 83 und 84 sind in den gegenüberliegenden Flächen der Trennwände 80 und 81 enthalten und bilden eine Abdichtung, wenn die Buchsen 40 und 41 sich am Anschlag und in der Normalstellung an den Schultern 48 und 49 des Sondenkörpers befinden und verhindern, daß die öffnungen 52 mit dem Innenraum der Kammer in Verbindung stehen. Diese Normallage ist auch die Schließposition. Die Buchsen 40 und 41 sind dauernd in dieser Schließposition durch Rückziehorgane, beispielsweise Federn, belastet, um das Rohr 24 in der Normallage zu halten. Im Fall der Buchse 4(1 befindet sich eine Zugfeder 87 in einer Längsbohrung 88 in der Verlängerung 22' des Sondenkörpers. Die Enden 39 und 90 dieser Feder sind jeweils ara Sondenkörper und an der Buchse 40 befestigt. Die Buchse 41 liegt an der Schulter 49 mittels einer Schraubenfeder 91 an, die um die Säule 21 herumgewickelt ist und sich gegen einen Absatz 92 der Trennwand 81 und einen Anschlagring 93 stützt, dsr auf der Säule 21 befestigt ist. Wenn eine der Buchsen 40 und 41 sich in der öffnuingsstellung befindet, in welcher der Zapfen 74 oder die Zapfen 75 und 76 sich am Anschlag am anderen Ende der entsprechenden Fenster befinden, werden die Trennwände 80 und 81 von ihrem Sitz abgehoben, so daß die durch die öffnungen 52 zugelassenen Strömungsmittel bis zum Innenraum der Kammer 25 durch Öffnungen 50 in den Querwänden 2S und 29 durchdringen.

Die Handhabung des Rohics bei der Eichung kann nntiels einer ücüihrten Stange 100 erfolgen, deien 5 ones Ende io"l am Ende 26 des Rohres 24 mittels eines Verbindungsgliedes 102 befestigt ist Dic-l Stange 100 ilurchi|uen die Buchse 40 und U,..· Eiv,, Herum: 22 und \eiHnilt in dein !!.örper des Werkzeuges in Richniim einer Steuervorrichtung 104 I mc

lu Au-führ.mgslorm der Steuervorrichtung 104 genial'. i- ι g. <)h weist eine Schraubenmutter 115 auf. die sich aiii einer langgestreckten Ciewindesiange 1 16 Iulindel. an der die Su.nge 100 mittels eines BclcsliiHingsarnics 117 befestigt ist. Die Multei und di:

(iewiiKkstange befinden sich in einer Kainmei US im Innenraum des V\ crkzeugkörpers 21. der mn de: tvü-mmer 106 durch einen Eängsspalt 119 \crbunden ist, in welchen der Befestigungsarm 117 geführt isi. der mit der Mutler 115 und der Stange 100 verbunden ist. Dadurch kann- die Mutter mittels der Gewindestange 116 verschoben und dabei in dem einen oder anderen Sinne gemäß der Umdrehung der Schraube 116 die Stange 100 mitgenommen werden. Dies wird mittels eines Schrittmotors 121 bewirkt.

dessen Vorschub proportional der Impulszahl ist. welche er von einer Versorgungsbox 120 erhält, die von der Oberfläche aus gesteuert wird, so daß die Mutter zwischen zwei Extremlagen und einer Mittellage entsprechend der Bohrstellung des Rohres gesteuert wird.

Die nutzbare Länge des Rohres 24 kann 500 mm betragen, die /wischen den Enden der rohrförmigen Verlängerungen 30 und 31 gerechnet sind, und der Durchmesser kann 43 mm sein. Diese Vorrichtung kann gut zusammen mit Meßgeräten in in Betrieb befindlichcen Ölbohrl^diern, beispielsweise zusammen mit dem Gerät zur Messung der Zusammensetzung gemäß der Erfindung, einem Durchflußmesser und einem Temperaturmesser verwendet werden.

Mat hat bisher die Verwendung einer Vorrichtung nach de; Beschreibung in einem zweiphasigen Medium, beispielsweise des Typs öl Wasser ins Auge gefaßt. In der Praxis gibt es viele Strömungen in Bohrlöchern, welche als zweiphasig angesehen vverden können. Indessen ist es immer schwierig, genau zu wissen, ob ein Medium in großer Tiefe tatsächlich zweiphasig ist oder nicht. In der Tat können sich die Gleichgewichtszustände zwischen den Phasen im Inneren der Bohrung ändern, und die Anwesenheit von Gas in Form einer deutlichen Phase in einer bestimmten Tiefe schließt nicht ein, daß dieses Gas nicht in einer anderen Tiefe gelöst ist. Wenn man nicht die genauen Bedingungen in den untersuchten Bohrlöchern kennt, ist es interessant, die Vorrichtung nach der Erfindung derart anzuwenden, daß sie sogar in Gegenwart einer eventuell vorhandenen kleinen

Menge der leichten Phase oder genauer des Gases

im Falle eines Öl-Wasser-Stromes arbeiten kann.

Hierzu ist eine Drainagevorrichtung für die Gase außerhalb des oberen Zuganges zur Kammer 25 vorgesehen, um zu verhindern, daß die Gase den Durchgang sperren können. Bei der Ausführungsform gemäß den F i g. 6 a und 6 b durchqueren kleine Längsleitungen, die in den Figuren nicht dargestellt sind, die Trennwand 80 der Buchse 40 und verlängern sich durch den Abschnitt 22' des Körpers der Sonde bis in eine zweite Kammer 106, die durch eine rohrförmige Hülse 105 und die zentrale Säule 21 begrenzt

19 ^y 20

ist. Neben der Spitze des Sondenkörpers ist die Hülse der Umgebung enthalten. Dennoch >-i diese Anna.ic-

105 unterbrochen und die kaminer 106 kiltdichi rung diuchaus aiinehmha! und tühit /n guien Ι<^ιΛ111

durch einen Stopfen 107 abgeschlossen, der auf der tüten, da die /u unlerdi., :kciide Phase die leichu-sec

zentralen Säule 21 aufgemacht ist. Dieser Sioplcn ist l'ha-c ist und nur in einer kleinen Mciigc wirlicgi

\nn einer kleinen F.iHliilmngslciiiiiii: 1!» durch-ctzi. 5 Die beschriebene Vorrichtung i-t dinch ihr.· giol.k·

die durch em laric-rles Riick'-dilagvciv.il 1 1 I abge- kmkichhcU und durch das statische \cilnli,.. ^.::<-

schlossen ist. da- beispielsweise duich ein r.leiiie> lend dei Messung gekennzeichnet. Sie ec-tatUi >■.-

\ eiiti. gebildet ist. das durch eine kleine ckr-lr-chc miiil'cii nut Lintel < ic.Kuiigkeil. kann kisiil an <);t u.n-

Scheibe dargestellt ist. welche den Ausgang dei fei- Su-IIe g.-ciclH beiden i.nd im m cinlachei v\ci-c /ι.

liuiii IKt duich -.ein Ciewiehl bedeckt. Dieses Ventil io MessiiiiLlen \on nur einei dei !'!lasen eeeigiiel. in u_lii

erlaubt lediulieli einen Austausch in der Kaimnei 106. liei-pielsvseise leicht durch Kniislcucruii!-' /ii ''e:.-

iii·! nach aul.'ie·-. L'ericlilel ist Wenn sich daher in dem ijeiide ιικί iiatiische \ oiL'aUL'e aus'j.-iosi weiden !■■

Mrom ein (ias belindet. in dem die Sonde eiilüe- dieser k;/icn I = - i in kann die \on,Ji!uilL· nack U.;

...UCHt ist. so iiciiit f~ da/u, sich .in der Spr\- de-· I !imduiii; mn einer einlaclien eiekü^ir-cheii Sieue

.i.Lien /uuanus /tir Kammer 25. d.h. im Kont;iki 15 uimj aussei iistel werden, und dic~ 11 -■■'■ \> ·. tcilh.i.

.i! der Wand 28 zu sammeln. Durch die kleinen ler I'aklor tür '.lic liei \ ;ebs ·ί.-|η : licit and die Ko-!, ,

scnun erwahmen Leitungen tritt das üas durch die Diese Vorrichtung isi wenig spciug und Wauii lcicU'.

Trennwand 80 und dringt dann in die zweite Kam- in Verbindung mit anderen .Geraten verwendet

mer 106 ein, wo es sich sammelt. Wenn das Gas ein werden.

bestimmtes Füllniveau erreicht nat, wird der Dichte- 20 Was die Verwendung der eriindungsgemäßen \ or-

unterschied zwischen den St.-ömungsmittelsäulen richtung in einem Bohrloch oder Brunnen angel;·

einerseits in der Kammer und andererseits in der so ist einerseits anzumerken, daß die Vorrichtung

Umgebung sich in einen difTerenziellen Druck um keinerlei ausblasbares Stopfensystem erfordert und

setzen, der ab einem bestimmten Schwellwert das die zu untersuchende Strömung nur minimal stört.

Ventil 111 dazu zwingt, sich derart zu öffnen, daß 25 Die Vorrichtung kann forlgesetzt verschoben werden,

wenigstens ein Teil des in der Kammer angesammel- nachdem sie einmal geeicht worden ist. Für genaue

ten Gases entweichen kann. Somit erfolgt eine auto- Messungen und für Elinze'studien bestimmter Zonen

matische Reinigung der gesamten leichten Phase, die kann man die Vorrichtung dazu verwenden, um zu

die Tendenz hätte, sich an der Spitze der hammer 25 diskontinuierlichen Messungen fortzuschreiten, lndcn

zu sammeln, und den Durchgang der Zwischenphase 30 man sie in jeder zu analysierenden Höhe anhält. Ir

in diesem Siphon, d. h. allgemein des Öles, zu sper- diesem Fall kann man eventuell eine Eichung fui

ren. Es ist dennoch anzumerken, daß diese Abgabe jede der in dieser Höhe vorhandenen Phasen vorneh-

des in der zu analysierenden Strömung vorhandenen men. bevor man dann zu der eigentlichen Messern

Gases einen Fehler in die Bestimmung Öl-Wasser- fortschreitet. Schließlich ist die Verwendung diese:

Zusammensetzung des Mediums mit sich bringt, der 35 Vorrichtung nicht auf bestimmte Typen von riohr

von dem Niveau der Trennfiäche dieser beiden Pha- löchern oder einem bestimmten Bereich von Durch

sen in der Kammer 25 ausgeht. Dies kommt daher, flußmengen angewiesen.

weil man ein hydrostatisches Gleichgewicht zwischen Die Erfindung kann in Abwandlung der tenann

den Strömungsmittelsäulen entwickelt, welche zwei ten Ausführungsbeispiele auch vielfaltig andere Aus

Phasen im Inneren der Kammer und drei Phasen in 40 führungsformen umfassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Vorrichtung zur Untersuchung eines mehrphasigen Mediums, insbesondere eines Stromes nicht mischbarer Medien in einem in Betrieb belindlichen Bohrloch, mit einer in da.s zu untersuchende Medium eingetauchten Sonde mit wenig,tens einer Kammer zur gravitätsbediiigten Trennung der Phasen und mit Verbindungsleitungen zwischen dem zu untersuchenden Medium und der Kammer, wobei in Betriebsstellung der Sonde die Verbindungsleitungen wenigstens zwei otTene Durchgänge aufweisen, die in verschiedenen Niveaus in die Kammer münden, dadurch gekennzeichnet, daß der obere und untere Durchgang (15, 17) jeweils als Siphon ausgebildet sind

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Untersuchung der Zusammensetzung des mehrphasigen Mediums, dadurca gekennzeichnet, daß ein Meßfühler (24, 32, 33) zur Bestimmung des Pegels der Grenzfläche (I) zwischen den Strömungsmedien in der Trennkammer (25) vorgesehen ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung an einer der Phasen ein Verschlußglied (27, 29, 81, 49) für wenigstens einen der Durchgänge vorgesehen ist, öffnungen (50, 52) für die Kammer (25) an den gegenüber: Agenden Durchgängen die Kammer direkt mit dem Umgeb»ngsmedium ohne Zwischenschaltung eines Siphons verbinden und gemeinsam betätigbare Steuerur »smittel (30. 31. 40, 41, 60, 61, 64, 65) für dieses Verschlußglied (27, 29) und diese öffnung vorhanden sind.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßfühler (24, 32, 33) für den Pegel der Grenzfläche vorgesehen ist, der auf einen Unterschied in der Eigenschaft der Phasen anspricht, und Eichmittel (RC 35, 39, 39') für den Meßfühler für wenigstens eine Phase vorgesehen sind, die Steuerungsmittel (104) für das Verschließglied (48, 49) und die öffnungen (40, 41) aufweisen.

   5. Vorrichtung naih Anspruch 2 mit einem Meßfühler für den Pegel der Grenzfläche, der auf einen Unterschied in der Eigenschaft der Phasen anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung des Meßfühlers des Grenzflächenpegels für jede vorhandene Phase nahe jedem oberen und unteren Ende der Kammer (25) eine Eichkapazitat (39, 39', 24) vorgesehen ist, die auf eine in ihrer Höhe festgehaltene Phase anspricht.

   6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer verlängerten Sonde, welche an einem Kabel im Bohrloch verschoben werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde ein längsgestrecktes Rohr (24) aufweist, das seitlich die Trennkammer (25) von der Außenumgebung abgrenzt und die wenigstens zwei öffnungen (52) mit je einer Mündung zur Umgebung der Sonde aufweist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde zwei Endstücke (22', 23') teils auf dem Körper der Sonde und teils auf dem Rohr (24) aufweist, die jeweils eine Querwand (29) aufweisen, die sich im Abstand zu dem entsprechenden Ende (23') des Rohres (24) befindet, uni eine rohrförmige Verlängerung (30) um

   und im Abstand von diesem hnde des Rohres (24) vorgesehen ist, wobei ein genau ringförmiger Durchgang zwischen der Umgebung der Sonde und dem Entsprechenden finde (27) des Rohres (24) ausgebildet ist.

   H Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daü das Rohr (24) längsseitig gegenüber einem der Endstücke (22', 23') beweglich ist dessen Querwand (28. 29) einen Diüitungssitz für das entsprechende linde (26,27) des Rohres (24) bildet.

   9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis S dadurch gelei.n/eichnet. daß das Rohr (24) um eine zentrale längsseitige Säule (21) herum angeordnet ist. die einen Teil des Korpers der Sonde und die Trennkammer (25) mit einem genau rinufürmigen Querschnitt bildet.

   10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (24, 32, 33) für den Pegel der Grenzfläche kapazitiv arbeitet, dessen eine Elektrode (52) durch die zentrale Säule (21) getragen und dessen andere Elektrode durch das Rohr (24) gebildet ist.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 8 mit einem Meßfühler für den Pegel der Grenzfläche, der jeweils einem Unterschied einer bestimmten Eigenschaft der Phasen entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (24) und der Meßfühler (24, 32, 33) starr miteinander längsseitig verschiebbar sind.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Endstück (40, 41) längsseitig gegenüber dem Körper (21) der Sonde bewegbar und mit öffnungen (52) versehen ist, die den Innenraum (25) des Rohres (24) mit der Umgebung ohne einen dazwisci en befindlichen Siphon verbinden, wenn das Endstück (40, 41) sich in einer öffnungsstellung befindet, und welche durch den Körper (21) der Sonde in einer zweiten normalen oder Schließstellung abgedeckt sind, in welche Stellung das Endstück (40, 41) dauernd durch ein Rückstellorgan (87, 91) vorgespannt ist, und daß das Rohr (24) mit jedem der Endstücke (40, 41) durch eine einseitig wirkende Verbindung derart verbunden ist, daß das Rohr (24) bei einer Verschiebung zu einem der Endstücke (40) hin das andere Endstück (41) von seiner Schließstellung^ zu seiner öffnungsstellung mitnimmt.

   13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Untersuchung eines dreiphasigen Gemisches mit einer leichten Phase, die zu einem kleinen Anteil gegenüber den beiden anderen Phasen vorhanden ist, insbesondere zur Untersuchung eines Gases in einer Wasser-Öl-Strömung, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde über der Trennkammer (25) eine zweite Kammer (106) aufweist, die mit dem oberen Durchgang (50) verbunden und mit einer tarierten Reinigungs- oder Ablaßvorrichtung (110, 111) versehen ist, die auf den unterschiedlichen Druck anspricht, der zwischen den Strömungsmittelsäulen im Innenraum und der Umgebung dieser zweiten Kammer (106) herrscht, wobei Einrichtungen dafür vorhanden sind, daß diese Kammer sich mit der leichten Phase über eine im voraus begrenzte Kapazität hinaus füllt.

   14. Verfahren /ur kontinuierlichen Entnahme einer für cn mehrphasiges Medium repräsentativen Probe unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß man die Trennkammer in dauernder Verbindung /u der Umgebung durch die den Siphtm bildenden Durchgänge wahrend der Messung hält.