DE2806769A1

DE2806769A1 - Akustische sonde

Info

Publication number: DE2806769A1
Application number: DE19782806769
Authority: DE
Inventors: Paul Ashton Boatright
Original assignee: OCEANOGRAPHY INT CORP
Current assignee: OCEANOGRAPHY INT CORP
Priority date: 1977-02-23
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1978-08-24
Also published as: JPS53118096A; US4131815A

Description

Bes ehreibung

Die Erfindung betrifft eine akustische Sonde zur Feststellung des Vorhandenseins von teilchenförmigen! Material in einem Fluidstrom, insbesondere zur Feststellung von zusammen mit Öl oder Gas aus einem Bohrloch gefördertem Sand.

Bei der Förderung von flüssigen Stoffen, beispielsweise Öl oder Gas, wird häufig teilchenförmiges Gut, insbesondere Sand, mitgefördert. Dieses teilchenförmige Gut bewirkt ein Verlegen der Strömungsleitungen, eine Anhäufung in Feldabscheidern und eine Beschädigung der Fördereinrichtungen, was zum Abschalten der Anlagen zu deren Reinigung und Reparatur führt. Diese Schwierigkeiten sind jedoch in gewissem Maße durch Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit der geförderten Stoffe vermeidbar, so daß die mitgeförderte Sandmenge in einem vertretbaren Rahmen gehalten wird (US-PS 3 563 311) .

Um den Sandstrom bei der Förderung von Öl oder Gas in vertretbaren Schranken zu halten, muß der aus dem Bohrloch geförderte Strom aufgezeichnet werden. Hierzu dient beispielswise eine Erosionssonde, mit der der vom Sand hervorgerufene Verschleiß festgestellt wird. Die bekannte Erosionssonde wird direkt in den Förderstrom eingebracht,

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und der Sand erodiert allmählich die Sondenwand, wobei der Druck des Förderstroms einen Alarm auslöst, der das Auftreten einer gewissen Erosion anzeigt. Diese bekannte Sonde gestattet jedoch nur ein unterbrochenes Aufzeichnen des Förderstroms.

Aus der US-PS 3 678 273 ist bereits eine Sonde zum kontinuierlichen Aufzeichnen des Förderstroms bekannt, welche mit einem radioaktiven Material überzogen ist. Beim Abtragen des radioaktiven Materials durch den Sand wird die von Probenveränderungen stammende Strahlung aufgenommen und daraus die durchströmende Sandmenge berechnet.

Es sind ferner bereits akustische Sonden zur Feststellung der Anwesenheit von teilchenförmigem Gut bekannt, die während einer Unterbrechung der Förderung in das Bohrloch abgesenkt werden und dabei feststellen, ob Sand im Förderstrom vorhanden ist. Aus der US-PS 3 580 092 ist eine weitere akustische Sonde bekannt, die keine Unterbrechung der Förderung erfordert. Diese akustische Sonde verwendet einen Piezo-Kristall zur Feststellung von teilchenförmigem Gut in einer Leitung. Obgleich diese Sonde die Anwesenheit von teilchenförmigem Gut im Förderstrom anzeigt, gibt sie jedoch nicht mit Genauigkeit an, wieviel· Sand tatsächlich durch die Leitung strömt.

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Aus den US-PS 3 841 144 und 3 816 773 ist bereits eine unmittelbar in den Förderstrom einzusetzende akustische Sonde zur Feststellung der Anwesenheit von teilchenförmigen! Gut im Förderstrom bekannt. Diese Sonde ist ein einseitig verschlossener Hohlzylinder mit eingeschlossenem Piezo-Kristall, der zur akustischen Kopplung von Kristall und Gehäuse in Öl gelagert ist. Vorhandenes teilchenförmiges Gut trifft dabei auf das Gehäuse der Sonde, welches seinerseits den Piezo-Kristall zur Erzeugung eines Ausgangssignals anregt, dessen Frequenz ein Maß für das das Gehäuse berührende Teilchen ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte akustische Sonde zu schaffen, die insbesondere leichter als die bekannten akustischen Sonden herstellbar ist und einem größeren Druck standzuhalten vermag. Außerdem soll die zu schaffende akustische Sonde eine größere Signalempfindlichkeit haben.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine akustische Sonde gemäß Hauptanspruch.

Die erfindungsgemäße Sonde kann allgemein als Sandteilchensonde bezeichnet werden, die zur mechanischen Übertragung von akustischen Schwingungen dient. Diese Schwingungen werden von den gegen die Sonde stoßenden und im

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Förderstrom mitgeführten Sandteilchen hervorgerufen. Die aufgrund der Schwingungen im akustischen Wandler erzeugten elektrischen Signale haben eine Frequenz, die einen Rückschluß auf die gegen die Sonde stoßenden Sandteilchen zuläßt. Die Sandteilchensonde umfaßt einen festen Sondenkörper, einen mechanisch daran befestigten akustischen Wandler und Einrichtungen zur Aufrechterhaltung eines galvanischen Kontakts zwischen Sondenkörper und außerhalb davon befindlichem Wandler. Der Wandler ist beispielsweise durch eine Feder, durch eine Klemmeinrichtung, durch Lotung oder durch Befestigung an der Rückseite der Sonde in mechanischem Kontakt mit dieser haltbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht einer Ausführung der Erfindung ; ⁵^

Figur 2 eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Ausführung gemäß Figur 1; und

Figur 3 eine teilweise auseinandergezogene, perspektivische Ansicht einer anderen Ausführung der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine Sandteilchensonde 1 mit einem akustischen Wandler 19, der an der Rückseite 18 der Sonde 1 angelötet ist. Die Sonde ist im wesentlichen ein Vollzylinder 10, der an einem Ende ein Rohrgewinde trägt. Das gegenüberliegende und zum Einsetzen in eine Leitung bestimmte Ende des Vollzylinders 10 ist abgerundet. Die Sonde besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, es sind jedoch auch andere Materialien verwendbar, sofern sie Schallwellen übertragen. So kann die Sonde beispielsweise auch aus Keramik bestehen. Die Länge des Probenkörpers 10 ist so zu bemessen, daß sie für im wesentlichen alle im Förderstrom vorhandenen Teilchen eine Kollisionsschranke darstellt. Sie ist somit von der lichten Weite der zu messenden Rohrleitung abhängig. Beim Einsetzen des Probenkörpers 10 in die Leitung ist darauf zu achten, daß der Probenkörper hinreichend weit bis über die Mittelachse der Leitung ragt, da die größte Sandkonzentration aufgrund der Schwerkraft im unteren Teil der Rohrleitung vorliegt. Zur Verminderung des von dem teilchenförmigen Gut hervorgerufenen Verschleißes der Sonde ist der Sondenkörper 10 vorzugsweise mit einer dünnen, verschleißfesten Schicht, beispielsweise Titankarbid, überzogen.

An dem der Abrundung gegenüberliegenden Ende des Sondenkörpers 10 sind Gewinde 16 und 12 vorgesehen. Das näher dem Sondenkörper 10 liegende Gewinde 12 dient zum Einschrauben der Sonde in ein nicht dargestelltes Rohranschlußstück, und

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zwar senkrecht zur Strömungsrichtung des Förderstroms. An das erste Gewinde 12 setzt ein Sechskant 14 für den Angriff eines Schraubenschlüssels an. Der Sechskant 14 dient zum Festziehen bzw. Lösen der in eine Leitung eingesetzten Sonde, An den Sechskant 14 schließt ein zweites Gewinde 16 an, das zur Verankerung einer Spann- oder Klemmvorrichtung für die Befestigung eines akustischen Wandlers 19 dient. Hinter dem zweiten Gewinde 16 verjüngt sich der Sondenkörper stufenweise, so daß seine Rückseite 18 etwa den gleichen Durchmesser wie der daran befestigte Wandler 19 besitzt. Die Rückseite der Sonde ist eben und zum Flächenkontakt mit einer ebenen Fläche des akustischen Wandlers 19 geeignet.

Der akustische Wandler 19 umfaßt einen Piezo-Kristall 9 mit einer Ausgangsleitung 13, die zur Weiterverarbeitung der Ausgangssignale zu einem externen elektronischen Gerät führt. Ferner ist am Piezo-Kristall eine Erdleitung 11 angebracht. Das Ausgangssignal des Piezo-Kristalls ist extern so abgestimmt, daß es der Hauptresonanzfrequenz seiner Dickenschwingung entspricht. Dadurch erhält man ein Signalmaximum für die abgestimmte Frequenz, während die meisten anderen Ausgangsfrequenzen abgeschwächt sind. Zur Erkennung von teilchenförmigem Gut muß die Hauptresonanzfrequenz aus später zu beschreibenden Gründen höher als 100 kHz liegen. Der Wandler 19 wird extern abgestimmt, und das von akustischer Energie erzeugte elektrische Signal wird in einer externen elektronischen Schaltung umgewandelt und ausgewertet.

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Der Piezo-Kristall 9 ist ein Keramikkristall in Form einer kreisförmigen Scheibe oder Platte. Als Piezo-Kristall sollte ein Kristall gewählt werden, dessen Hauptresonanzfrequenz in einer seiner Dickenschwingungen bei etwa 7OO kHz, also über der zur zweifelsfreien Bestimmung von im Förderstrom vorhandenen Teilchen erforderlichen Mindestfrequenz von 1OO kHz, liegt. Die Ansprechfrequenz muß für Schwingungen in axialer Kristallrichtung deutlich über 100 kHz liegen, da derartige Kristalle in radialer Richtung bei etwa 100 kHz mitschwingen und da Pumpen und andere äußere Geräusche Frequenzanteile im Bereich von 100 kHz aufweisen. Bei einer Frequenz von 7OO kHz ist hingegen ein klares Signal erhältlich, das der von einem Stoß eines Teilchens gegen den Probenkörper 10 übertragenen akustischen Energie entspricht. Die externe elektronische Schaltung verstärkt und filtert das Ausgangssignal derart, daß die im Förderstrom vorhandene Sandmenge berechenbar ist. Dies ist unabhängig davon durch Messen des Flusses und Feststellung der Masse aus Tabellen oder durch Verfahren und Vorrichtung gemäß einer Parallelanmeldung erhältlich.

Der Wandler ist mit der Sonde auf verschiedenste Weise akustisch koppelbar. In jedem Fall muß die akustische Kopplung hinreichend stoßsicher und so fest sein, daß der Wandler für die Gewährleistung einer wirksamen mechanischen übertra-

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gung von akustischer Energie fest genug auf der Rückseite der Sonde sitzt.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Ausführung, in der der akustische Wandler 19 auf einen Sondenkörper 10 aus rostfreiem Stahl aufgelötet ist. Eine Schicht von Silberlot 17 ist auf die Rückseite 18 des Sondenkörpers 1 deswegen aufgebracht, weil übliches Lötzinn in Verbindung mit rostfreiem Stahl nicht verwendbar ist. Anschließend wird ein Überzug aus niedrig schmelzendem Lötzinn 15 auf die mit dem Silberlot zu verbindende Kristallfläche zur Bildung einer optimalen Kopplung von Sonde und Kristall aufgebracht. Diese Kopplung besitzt auch eine verbesserte Stoßfestigkeit.

Figur 3 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, bei der der Kristall 9 mechanisch auf die Rückseite 18 der Sonde 1 geklemmt ist. Der Kristall 9 ist durch Zwischenlegen einer Glimmerscheibe 24 von der Rückseite 18 der Sonde 1 isoliert. Der Kristall 9 sitzt auf einer dünnen, mit der Erdleitung 11 verbundenen Messingplatte 20. Auf der Oberseite des Kristalls 9 liegt eine Rückkopplungsmasse 22 mit einer öffnung für die Durchführung der Ausgangsleitung 13 des Kristalls 9. Die Rückkopplungsmasse 22 ist mittels einer am Hinterende der Sonde verankerten Spanneinrichtung mit der Sonde 1 verschraubt oder auf diese geklemmt. Das zweite Gewinde 16

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dient zum Einschrauben der Sonde 1 in die nicht dargestellte Klemmvorrichtung.

Der Wandler 19 ist auch durch eine Feder gegen die Rückseite 18 der Sonde drückbar, wobei der die Feder tragende Teil auf das zweite Gewinde 16 aufschraubbar ist.

Der Wandler ist aber auch mit Hilfe eines starken Klebers, beispielsweise eines Epoxidklebers, mit der Sonde verbindbar.

Stößt im Förderstrom vorhandener Sand gegen den Sondenkörper 10, dann wird ein Teil der kinetischen Energie der Sandkörner in akustische Energie umgewandelt, die durch den Sondenkörper 10 auf den mit diesem in mechanischen Kontakt stehenden Piezo-Kristall 9 übertragen wird. Dies bewirkt eine Verformung des Kristalls und dadurch eine Ladungserzeugung auf der Kristalloberfläche, was zu einem Ausgangssignal mit einer Frequenz im Bereich von 700 kHz führt. Dieses Ausgangssignal zeigt eine Kollision zwischen Sandkorn und Sondenkörper an. Das erhaltene elektrische Ausgangssignal wird an eine externe elektronische Schaltung übertragen, die auf die Hauptresonanzfrequenz des Kristalls eingestellt ist und das Signal verstärkt, filtert und in weiterverarbeitbare Information umwandelt, aus der die Masse oder der Massenstrom für eine bestimmte Zeit bestimmbar ist.

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ah:bü

Claims

Ansprüche

Akustische Sonde zur Feststellung des Vorhandenseins von teilchenförmigem Material in einem Fluidstrom, gekennzeichnet durch einen in eine einen Fluidstrom fördernde Leitung einsetzbaren Sondenkörper (10), durch einen am Sondenkörper (10) angebrachten und elektrische Signale in Abhängigkeit von im Sondenkörper (10) auftretenden akustischen Signalen erzeugenden akustischen Wandler (9) und durch Einrichtungen zur Herstellung eines festen mechanischen Kontakts zwischen Sondenkörper (10) und akustischem Wandler (9).

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ORIGINAL INSPECTED
2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (10) mit einer verschleißfesten Schicht überzogen ist.
3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (10) aus Metall besteht.
4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Wandler (9) ein auf die von Teilchen beim Stoß gegen den Sondenkörper (10) erzeugte Frequenzen abgestimmter Piezo-Kristall ist, der eine Signalausgangsleitung (13) aufweist.
5. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Kristall die Form einer kreisförmigen Scheibe hat und daß seine Hauptresonanzfrequenz in der Dickenschwingungsrichtung höher als 100 kHz liegt.
6. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptresonanzfrequenz des Piezo-Kristalls in Dickenschwingungsrichtung ungefähr 700 kHz beträgt.
7. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Wandler (9) durch Federkraft gegen den Sondenkörper (10) gedrückt ist.

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8. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Wandler (9) mit dem Sondenkörper (10) verklebt ist.
9. Sonde nach einem der Ansprüce 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Rückseite (18) des Sondenkörpers (10) und dem Wandler (9) eine Isolationsscheibe

(20) liegt, und daß der Wandler (9) von einer Rückkopplungsmasse (22) beschwert mit dem Sondenkörper (10) verschraubt ist.
10. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Wandler (9) mittels einer Weichlotschicht (15) auf eine die Rückseite (18) des Sondenkörpers (10) überdeckende Silberlotschicht (17) aufgelötet ist.
11. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Wandler (9) mittels einer Epoxidschicht mit dem Sondenkörper (10) verbunden ist.

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