EP0047878B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Injektionsdruckes bei baulichen Injektionen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Injektionsdruckes bei baulichen Injektionen Download PDF

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EP0047878B1
EP0047878B1 EP81106472A EP81106472A EP0047878B1 EP 0047878 B1 EP0047878 B1 EP 0047878B1 EP 81106472 A EP81106472 A EP 81106472A EP 81106472 A EP81106472 A EP 81106472A EP 0047878 B1 EP0047878 B1 EP 0047878B1
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infeed line
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Hans Heimgartner
Karl Wirz
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Hany & Cie Ag
HANY AND CIE AG
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Hany & Cie Ag
HANY AND CIE AG
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    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices or the like
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/06—Measuring temperature or pressure

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining the injection pressure in structural injections according to the preamble of claim 1 and claim 3.
  • the injection pressure in boreholes it is known to calculate the injection pressure mathematically based on the pressure generated by the injection pump and the parameters of the feed line through which the injection medium flows, to the boreholes. Since the quantities required for this calculation are not always known with sufficient accuracy and can possibly change during the injection process, the injection pressure cannot be determined with sufficient accuracy in this way.
  • the present invention now aims to overcome the drawbacks mentioned above. It is therefore the task of creating a method or a device of the type mentioned at the outset which, using simple means and in a reliable manner, permits the most accurate possible detection of the injection pressure actually prevailing at the injection site.
  • the measuring point In order to record the injection pressure at the injection point as precisely as possible, the measuring point is probably located near the outlet of the supply line, but not at this outlet itself. By providing the pressure measuring point from the space to be injected, seen behind the packer (borehole seal), preferably in the vicinity thereof, the measuring point is protected from the injection medium emerging from the feed line. At the pressure measuring point, the flow and measurement conditions can be mastered without difficulty, so that an undesirable and uncontrollable falsification of the measurement results cannot occur. Since the measuring point is very close to the outlet of the supply line, i.e. H. located near the injection site, the actual injection pressure at this injection site is recorded with great accuracy. The relatively short distance between the measuring point and the injection point does not significantly impair the meaningfulness of the measuring results.
  • a baffle for swirling the incoming injection material is preferably provided in this measuring chamber.
  • the swirl caused by this baffle keeps the injection material in motion in the measuring chamber. This ensures that there is always an injection material flow on the pressurized part of the pressure measuring device and that no dead zone can form in the area of this pressure-absorbing part, even if the pressure-absorbing part is arranged to the side of the inlet opening of the measuring chamber when viewed in the direction of flow.
  • FIG. 1 shows the outlet-side end of a feed line for an injection medium of a known type which is arranged in a borehole 1 and which can be, for example, an aqueous suspension based on mortar or cement.
  • the injection medium is conveyed to the borehole 1 by an injection pump, not shown, through the feed line, of which a pipe section denoted by 2 is shown.
  • a pressure measuring part 3 Connected to this pipe section 2 is a pressure measuring part 3 screwed to it, the construction of which will be described in more detail below.
  • Another way A screw connection is connected to the pressure measuring part 3, a pipe end part 4, which has an outlet opening 4a for the injection material.
  • This outlet opening 4a lies in the region of the injection point 5.
  • the annular space 6 formed between the pipe end part 4 and the borehole wall 1a is sealed in a known manner by means of a packer 7.
  • This packer 7 can consist, for example, of a cuff which can be inflated by means of compressed air.
  • the pressure measuring part 3 there is a pressure measuring point 8, at which the pressure inside the feed line for the injection medium is measured.
  • a measuring chamber 9 (FIG. 2), which is arranged inside a housing part 10.
  • This measuring chamber 9 tapers in the direction of flow A of the injection medium and has an elliptical cross section. The main axis of this elliptical cross-section lies in the plane of the drawing in FIG. 2.
  • the measuring chamber 9 has an inlet opening 11 and an outlet opening 12.
  • the outlet opening 12 is laterally offset from the inlet opening 11, i. H. the axis 11a of the inlet opening 11 runs at a distance a from the axis 12a of the outlet opening 12.
  • the wall part 13 of the measuring chamber 9 running from the inlet opening 11 to the outlet opening 12 acts as a deflecting surface for the injection medium entering the measuring chamber 9 through the inlet opening 11.
  • a pipe part 14 In the housing part 10, one end of a pipe part 14 is inserted, the other end of which is connected to the pipe section 2, as can be seen in FIG. 1. Since the axis 11a of the inlet opening 11 is offset with respect to the axis of the pipe section 2, the pipe part 14 has a curvature. Adjacent to the tubular part 14 and running approximately parallel to it, a sleeve 15 which is open at both ends is screwed into the housing part 10. A pressure transmitter 16 is arranged in the interior of this sleeve ', the pressurized membrane 16a of which faces the measuring chamber 9. The pressure transmitter 16 is of a type known per se and generates electrical signals proportional to the membrane 16a due to the pressure acting thereon.
  • a cable 18 is connected to the pressure transmitter 16 by means of a plug 17, via which the pressure-proportional signals are fed to a measured value processing point located outside the borehole 1, at which, for example, a pressure display or pressure registration takes place.
  • a sealing ring 19 is arranged between the housing part 10 and the pressure transmitter 16.
  • the pressure of the injection medium flowing through the feed sections 2, 14 and 4 to the injection point 5 is thus measured in a known manner.
  • the injection medium is kept in motion in the measuring chamber 9. This is brought about by the lateral displacement of inlet opening 11 and outlet opening 12 already mentioned.
  • the injection medium entering the measuring chamber 9 from the pipe part 14 through the inlet opening 11 strikes the inclined wall part 13 of the measuring chamber 9 and is thereby deflected. This causes the injection medium to swirl in the measuring chamber.
  • the injection medium within the measuring chamber 9 is kept in constant motion, even in the area of the membrane 16a. This not only ensures a perfect measurement, but also prevents deposits from forming in flow-free spaces in the measuring chamber 9. It goes without saying that it is possible to keep the injection medium in motion inside the measuring chamber 9 in a manner other than that described.
  • the measuring point Since the measuring point is located inside the feed line for the injection medium, the flow and measurement conditions are known and essentially always constant, so that an unadulterated measurement of the pressure in the injection medium is possible. Since the measuring point 8 is also very close to the injection point 5, the measured pressure practically corresponds to the injection pressure actually prevailing at this injection point 5. The relatively small distance between measuring point 8 and injection point 5, which can be, for example, about one meter, has only an insignificant effect on the accuracy of the measuring results.
  • the pressure measuring part 3 Since the pressure measuring part 3 is located behind the packer 7 as seen from the injection point 5, the pressure measuring part 3 is protected against injection medium emerging from the outlet opening 4a. The pressure measuring part 3 can therefore not be damaged by the injection medium. In addition, holding the pressure measuring part 3 by solidified injection material in the bore 1 is avoided. It may be expedient to provide a predetermined breaking point between the pressure measuring part 3 and the packer 7, which enables a separation of the pressure measuring part 3 and the pipe end part 4 when a certain tensile load is reached. In this way, the pressure measuring part 3 can also be removed from the borehole 5 when the packer 7 is stuck in the borehole 1 and can no longer be moved out of it.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Ermitteln des Injektionsdruckes bei baulichen Injektionen gemäss Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 3.
  • Zur Ermittlung des Injektionsdruckes in Bohrlöchern ist es bekannt, ausgehend vom von der Injektionspumpe erzeugten Druck und den Kenngrössen der vom Injektionsmedium durchströmten Zuleitung zu den Bohrlöchern den Injektionsdruck rechnerisch zu bestimmen. Da die für diese Berechnung erforderlichen Grössen nicht immer genügend genau bekannt sind und sich unter Umständen während des Injektionsvorganges ändern können, lässt sich auf diese Weise der Injektionsdruck nicht genügend genau bestimmen.
  • Es ist ebenfalls bekannt, am Ausgang einer Verteilkammer, die mit einer Pumpeneinrichtung verbunden ist, in jeder abgehenden Leitung ein Durchflussregelventil und eine Messeinrichtung zum Messen des Druckes stromabwärts dieses Regelventils anzuordnen (CH-A-609423). Die Messeinrichtungen sind jedoch in einem beträchtlichen Abstand von der Injektionsstelle entfernt, so dass der durch diese Messeinrichtungen gemessene Druck nur annähernd dem Injektionsdruck in den Bohrlöchern entspricht.
  • Um den tatsächlichen an der Injektionsstelle herrschenden Druck erfassen zu können, ist schon vorgeschlagen worden, der Auslassöffnung der Zuleitung ein Druckmessgerät vorzulagern, das vom aus der Zuleitung austretenden Injektionsmedium beaufschlagt, bzw. umströmt wird. Da sich das Druckmessgerät vollständig im Injektionsgutstrom befindet, besteht die Gefahr von Materialablagerungen in Toträumen und an den Halterungen, über die das Druckmessgerät mit der Zuleitung verbunden ist. Im weitern wird der Fluss des Injektionsmediums durch das Druckmessgerät gestört. Aus diesen Gründen sind die erhaltenen Messergebnisse verfälscht und können somit nicht das gewünschte genaue Bild des Injektionsdruckes vermitteln. Im weitern besteht die Gefahr, dass das Druckmessgerät durch verfestigtes Injektionsgut im Bohrloch festgehalten wird und sich nicht mehr zusammen mit der Zuleitung aus dem Bohrloch entfernen lässt.
  • Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die vorstehend erwähnten Nachteile zu beseitigen. Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die mit einfachen Mitteln und auf zuverlässige Weise die möglichst genaue Erfassung des an der Injektionsstelle tatsächlich herrschenden Injektionsdruckes erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 3 gelöst.
  • Im Bestreben, den Injektionsdruck an der Injektionsstelle so genau wie möglich zu erfassen, wird die Messstelle wohl in der Nähe des Auslasses der Zuleitung, jedoch nicht an diesem Auslass selbst angeordnet. Durch das Vorsehen der Druckmessstelle vom zu injizierenden Raum aus gesehen hinter dem Packer (Bohrlochabdichtung), vorzugsweise in dessen Nachbarschaft, ist die Messstelle vor dem aus der Zuleitung austretenden Injektionsmedium geschützt. An der Druckmessstelle können die Strömungs- und Messverhältnisse ohne Schwierigkeiten beherrscht werden, so dass eine unerwünschte und unkontrollierbare Verfälschung der Messergebnisse nicht auftreten kann. Da sich die Messstelle sehr nahe am Austritt der Zuleitung, d. h. nahe der lrijektionsstelle, befindet, wird mit grosser Genauigkeit der tatsächliche Injektionsdruck an dieser Injektionsstelle erfasst. Die verhältnismässig kurze Distanz zwischen Messstelle und Injektionsstelle vermag die Aussagekraft der Messergebnisse nicht nennenswert zu beeinträchtigen.
  • Falls die Zuleitung für das Injektionsmedium eine Messkammer aufweist, in der der druckbeaufschlagte Teil der Druckmesseinrichtung angeordnet ist, so wird in dieser Messkammer vorzugsweise eine Schikane zum Verwirbeln des eintretenden Injektionsgutes vorgesehen. Durch die durch diese Schikane bewirkte Verwirbelung wird das Injektionsgut in der Messkammer in Bewegung gehalten. Dadurch wird sichergestellt, dass am druckbeaufschlagten Teil der Druckmesseinrichtung immer eine Injektionsgutströmung vorhanden ist und sich im Bereich dieses druckaufnehmenden Teils keine Totzone bilden kann, und zwar auch dann nicht, wenn der druckaufnehmende Teil in Strömungsrichtung gesehen seitlich der Eintrittsöffnung der Messkammer angeordnet ist.
  • Im Folgenden wird anhend der Zeichnung der Erfindungsgegenstand näher erläutert. Es zeigt rein schematisch :
    • Figur 1 eine in einem Bohrloch angeordnete Vorrichtung zum Injizieren eines Injektionsmediums mit einer Messeinrichtung zum Messen des Injektionsdruckes, und
    • Figur 2 im Schnitt und gegenüber der Fig. 1 in vergrössertem Massstab den Druckmessteil der Vorrichtung gemäss Figur 1.
  • Fig. 1 zeigt das in einem Bohrloch 1 eingeordnete auslassseitige Ende einer Zuleitung für ein Injektionsmedium bekannter Art, das beispielsweise eine wässerige Suspension auf Mörtel- oder Zementbasis sein kann. Das Injektionsmedium wird von einer nicht gezeigten Injektionspumpe durch die Zuleitung, von der ein mit 2 bezeichneter Rohrabschnitt dargestellt ist, zum Bohrloch 1 gefördert. An diesen Rohrabschnitt 2 schliesst ein mit diesem verschraubter Druckmessteil 3 an, dessen Aufbau noch näher beschrieben werden wird. Mittels einer weitern Schraubverbindung ist mit dem Druckmessteil 3 ein Rohrendteil 4 verbunden, der eine Auslassöffnung 4a für das Injektionsgut aufweist. Diese Auslassöffnung 4a liegt im Bereich der Injektionsstelle 5. Der zwischen dem Rohrendteil 4 und der Bohrlochwandung 1a gebildete Ringraum 6 wird auf bekannte Weise mittels eines Packers 7 abgedichtet. Dieser Packer 7 kann beispielsweise aus einer mittels Druckluft aufblasbaren Manschette bestehen.
  • Im Druckmessteil 3 befindet sich eine Druckmessstelle 8, an der der Druck im Innern der Zuleitung für das Injektionsmedium gemessen wird. An dieser Messstelle 8 ist eine Messkammer 9 (Figur 2) vorhanden, die im Innern eines Gehäuseteils 10 angeordnet ist. Diese Messkammer 9 verjüngt sich in Strömungsrichtung A des Injektionsmediums und weist einen elliptischen Querschnitt auf. Die Hauptachse dieses elliptischen Querschnittes liegt in der Zeichenebene der Figur 2. Die Messkammer 9 weist eine Eintrittsöffnung 11 sowie eine Austrittsöffnung 12 auf. Die Austrittsöffnung 12 ist gegenüber der Eintrittsöffnung 11 seitlich versetzt, d. h. die Achse 11 a der Eintrittsöffnung 11 verläuft in einem Abstand a zur Achse 12a der Austrittsöffnung 12. Der von der Eintrittsöffnung 11 zur Austrittsöffnung 12 verlaufende Wandteil 13 der Messkammer 9 wirkt als Umlenkfläche für das durch die Eintrittsöffnung 11 in die Messkammer 9 eintretende Injektionsmedium.
  • In den Gehäuseteil 10 ist das eine Ende eines Rohrteiles 14 eingesetzt, dessen anderes Ende mit dem Rohrabschnitt 2 verbunden ist, wie das aus Figur 1 hervorgeht. Da die Achse 11a der Eintrittsöffnung 11 gegenüber der Achse des Rohrabschnittes 2 versetzt ist, weist der Rohrteil 14 eine Krümmung auf. Benachbart zum Rohrteil 14 und etwa parallel zu diesem verlaufend ist in den Gehäuseteil 10 eine an beiden Enden offene Hülse 15 eingeschraubt. Im Innern dieser Hülse' ist ein Druckmessumformer 16 angeordnet, dessen druckbeaufschlagte Membran 16a der Messkammer 9 zugekehrt ist. Der Druckmessumformer 16 ist an sich bekannter Bauart und erzeugt aufgrund des auf die Membran 16a wirkenden Druckes zu diesem proportionale elektrische Signale. Mittels eines Steckers 17 ist an den Druckmessumformer 16 ein Kabel 18 angeschlossen, über das die druckproportionalen Signale einer ausserhalb des Bohrloches 1 liegenden Messwertverarbeitungsstelle zugeführt werden, an der beispielsweise eine Druckanzeige oder Druckregistrierung erfolgt. Wie die Figur 2 zeigt, ist zwischen dem Gehäuseteil 10 und Druckmessumformer 16 ein Dichtungsring 19 angeordnet.
  • Mittels des Druckmessumformers 16 wird somit auf bekannte Weise der Druck des durch die Zuleitungsabschnitte 2,14 und 4 zur Injektionsstelle 5 strömenden Injektionsmediums gemessen. Um zu vermeiden, dass im Bereich der Membran 16a des Druckmessumformers 16, welche etwa auf gleicher Höhe und seitlich der Eintrittsöffnung 11 angeordnet ist, eine strömungstote Zone entstehen kann, wird das Injektionsmedium in der Messkammer 9 dauernd in Bewegung gehalten. Dies wird durch die bereits erwähnte seitliche Versetzung von Eintrittsöffnung 11 und Austrittsöffnung 12 bewirkt. Das aus dem Rohrteil 14 durch die Eintrittsöffnung 11 in die Messkammer 9 eintretende Injektionsmedium trifft auf den schrägverlaufenden Wandteil 13 der Messkammer 9 auf und erfährt dadurch eine Umlenkung. Das hat eine Verwirbelung des Injektionsmediums in der Messkammer zur Folge. Auf diese Weise wird somit das Injektionsmedium innerhalb der Messkammer 9 in dauernder Bewegung gehalten, und zwar auch im Bereich der Membran 16a. Damit wird nicht nur eine einwandfreie Messung sichergestellt, sondern auch noch verhindert, dass sich in strömungstoten Räumen Ablagerungen in der Messkammer 9 bilden können. Es versteht sich, dass es möglich ist, auf andere als die beschriebene Weise das Injektionsmedium im Innern der Messkammer 9 in Bewegung zu halten.
  • Da sich die Messstelle im Innern der Zuleitung für das Injektionsmedium befindet, sind die Strömungs- und Messverhältnisse bekannt und im wesentlichen immer gleichbleibend, so dass eine unverfälschte Messung des Druckes im Injektionsmedium möglich ist. Da sich die Messstelle 8 zudem sehr nahe an der Injektionsstelle 5 befindet, entspricht der gemessene Druck praktisch dem tatsächlich an dieser Injektionsstelle 5 herrschenden Injektionsdruck. Der verhältnismässig geringe Abstand zwischen Messstelle 8 und Injektionsstelle 5, der beispielsweise etwa ein Meter betragen kann, wirkt sich nur unbedeutend auf die Richtigkeit der Messresultate aus.
  • Da sich der Druckmessteil 3 von der Injektionsstelle 5 aus gesehen hinter den Packer 7 befindet, ist der Druckmessteil 3 vor aus der Auslassöffnung 4a austretendem Injektionsmedium geschützt. Der Druckmessteil 3 kann durch das Injektionsmedium daher nicht beschädigt werden. Zudem ist ein Festhalten des Druckmessteiles 3 durch verfestigtes Injektionsgut in der Bohrung 1 vermieden. Es kann zweckmässig sein, zwischen dem Druckmessteil 3 und dem Packer 7 eine Sollbruchstelle vorzusehen, die bei Erreichen einer gewissen Zugbelastung eine Trennung von Druckmessteil 3 und Rohrendteil 4 ermöglicht. Auf diese Weise lässt sich der Druckmessteil 3 auch dann noch aus dem Bohrloch 5 entfernen, wenn der Packer 7 im Bohrloch 1 festsitzt und sich nicht mehr aus diesem herausbewegen lässt.
  • Dadurch, dass der Rohrteil 14 und der Druckmessumformer 16 in Strömungsrichtung A gesehen nebeneinander und im wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet sind, wird eine platzsparende Bauweise erzielt, die es ermöglicht, den Druckmessteil 3 auch in Bohrungen 1 mit einem verhältnismässig kleinen Durchmesser einsetzen zu können. Falls es die Platzverhältnisse erlauben, kann der Druckmessumformer 16 auch anders angeordnet werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Ermitteln des Injektionsdruckes bei baulichen Injektionen, bei dem der Druck des Injektionsmediums gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessung im Innern der Zuleitung (2,4,14) für das Injektionsmedium an einer Stelle (8) erfolgt, die in Strömungsrichtung (A) des Injektionsmediums gesehen vor der den Ringraum (6) zwischen der Zuleitung (4) und der diese umgebenden Wandung (1a) abschliessenden Abdichtung (7) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessung benachbart zur Abdichtung (7) erfolgt.
3. Vorrichtung zum Ermitteln des Injektionsdruckes bei baulichen Injektionen, mit einer Druckmesseinrichtung zum Messen des Druckes des Injektionsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass die den Druck im Innern der Zuleitung (2, 4, 14) für das Injektionsmedium messende Druckmesseinrichtung (16) an einer Stelle (8) angeordnet ist, die in Strömungsrichtung (A) des Injektionsmedlums gesehen vor der den Ringraum (6) zwischen der Zuleitung (4) und der diese umgebenden Wandung (1a) abschliessenden Abdichtung (7) liegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessstelle (8) benachbart zur Abdichtung (7) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung wenigstens einen Druckmessumformer (16) aufweist, der mit dem Innern der Zuleitung (2, 4,14) in Druckverbindung steht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (2, 4, 14) eine Messkammer (10) aufweist, in der der druckbeaufschlagte Teil (16a) des Druckmessumformers (16) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (10) eine Schikane (13) zum Verwirbeln des eintretenden Injektionsgutes aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (11) der Messkammer (10) gegenüber deren Austrittsöffnung (12) in Störmungsrichtung (A) gesehen seitlich versetzt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Shikane eine Umlenkfläche (13) für das in die Messkammer (10) eintretende Injektionsmedium ist, die vorzugsweise durch einen von der Eintrittsöffnung (11) zur Austrittsöffnung (12) führenden Wandteil (13) der Messkammer (10) gebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass der druckaufnehmende Teil (16a) des Druckmessumformers (16) in Störmungsrichtung (A) gesehen seitlich der Eintrittsöffnung (11) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Messstelle (8) und der Abdichtung (7) eine Sollbruchstelle angeordnet ist, die vorzugsweise bei Ueberschreiten einer bestimmten Zugkraft anspricht.
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CH6893/80 1980-09-15

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