NO164621B - Apparat for maaling av de innvendige dimensjoner av et roer, saerlig i en broenn. - Google Patents

Abstract

En dimensjons-loggesonde er forsynt med et flertall fingre (54) montert svingbart i forhold til en hoveddel (51). Bevegelsen av hver finger (54) blir overført til en til-hørende stav (176) av magnetisk materiale. Denne stav beveger seg i et langsgående rør (136) som er montert på forseglet måte i forhold til sondens hoveddel slik at dets indre utsetters for trykket utenfor sonden og slik at rommet omkring dette rør ikke utsettes for dette trykk. Omkring røret er det montert en transduservikling (150) hvis selvinduktans avhenger av graden av inntrengning av staven (176) og følgelig av den forskyvning som skal måles. En måling av denne selvinduktans blir oppnådd ved å studere variasjonen av en strøm som flyter gjennom viklingen når en spenningstransient påtrykkes på viklingens klemmer.

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler måling av bevegelse, og dreier seg særlig om verktøy eller instrumenter for måling av de innvendige dimensjoner av rør, spesielt med det formål å sjekke deres tilstand.

Det er mange installasjoner hvor stålrør blir utsatt for påvirkning av slipende og korrosive midler som over en tid vil forårsake en forringelse av den indre overflate og gjøre dem ubrukbare. Dette er spesielt tilfelle i olje-, gass- og geotermiske brønner, hvor innerveggen er foret med en stålhylse-foring, og hvori er opphengt et produksjonsrør som forbinder et produksjonslag med et brønnhode for å bringe de produserte væsker til overflaten.

Det finnes fingertype-sonder, også kalt dimensjonslogge-sonder, av tidligere kjent teknikk som er istand til å forflyttes inne i et rør som skal undersøkes, hvis føler-fingre blir holdt mot rørets vegg, hvor fingrenes bevegelse blir målt mens sonden forflyttes inne i hylsen.

Det finnes også mekaniske registreringsapparater av tidligere kjent teknikk hvor den svingende bevegelse av fingrene blir registrert på en roterende sylinder som beveger seg inne i hylsen i samsvar med sondens bevegelse i røret.

En ulempe med disse apparater er en relativt høy mekanisk kompleksitet med en relativt lav presisjon, og med krav til relativt kompliserte håndteringsoperasjoner for plassering og fjerning av registrerings-sylinderen.

Det er også, f.eks. som beskrevet i US patent nr. 4.186.494, sonder hvor bevegelsen av hver finger i kontakt med rørveggen blir konvertert av en transduser til et elektrisk signal som kan sendes, f.eks. over elektriske ledninger i den kabel hvori sonden henger.

En slik transduser er laget av en eller flere spoler hvori en kjerne av magnetisk materiale med høy permeabilitet blir gitt en lineær bevegelse i samsvar med bevegelsen av de respektive fingre i kontakt med rørveggen.

En slik transduser er imidlertid omfangsrik, og bare et begrenset antall fingre kan plasseres rundt sonden på grunn av utilstrekkelig plass for de tilhørende transdusere inne i sonden. Fra et operasjonsmessig standpunkt er disse apparater dårlig egnet for sekvensmåling, noe som er ønskelig i tilfelle målingene må sendes i serie over en kabel. Stabiliseringstiden for en målekrets etter at den er blitt forbundet med en spole etter en svitsje-operasjon er i alminnelighet relativt lang. Denne faktor begrenser samplingsfrekvensen av bevegelses-transduseren forbundet med hver finger. Hastigheten hvormed sonden kan føres gjennom røret er således begrenset. Vil en, for å overvinne denne ulempe, kontinuerlig måle den bevegelse som blir detektert av hver spole, er det nødvendig å fremskaffe en spesiell målekrets bestående av en oscillator for hver spole. Utgangen av målekretsen blir avlest i sekvens av en multiplekser-krets for transmisjon. Denne løsning er ikke bare kostbar, men øker også størrelsen av målekretsen. Bevegelses-tr.ansdusere av tidligere kjent teknikk er dessuten ofte dårlig egnet for presise målinger under store temperaturvariasjoner, noe som spesielt er tilfelle i oljebrønner.

Fra et mekanisk standpunkt er tidligere kjente dimensjons-loggesonder av typen elektromagnetisk transduser ofte dårlig egnet for drift under høyt trykk, enten grunnet vanskeligheter med å finne forseglet passasje frem til kontroll-elektronikken for det store antall elektriske ledere som er nødvendige når målespolene er utsatt for trykket utenfor sonden, eller omvendt, grunnet nødvendigheten av å skaffe komplisert tetning mellom hver føler-finger og magnetkjernen i den tilhørende transduser.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt et apparat for måling av de innvendige dimensjoner av et rør, og apparatet er definert nøyaktig i de vedføyde patentkravene.

Et slikt apparat omfatter en avlang sonde-hoveddel som kan forflyttes inne i et rør som skal undersøkes, et flertall føler-fingre fordelt rundt hoveddelen og istand til å bevege seg radielt i henhold til variasjoner i rørets tverrmål, og en bevegelsestransduser for å måle bevegelsen av hver finger. Dette apparat kan innbefatte det trekk at hver finger omfatter et element som kan beveges i lengderetningen inne i et blindt rør laget av ikke-magnetisk materiale, montert på forseglet måte inne i hoveddelen slik at dets indre blir utsatt for trykket av det omliggende medium hvori sonden er neddykket og slik at i det minste en del av rommet omkring røret ikke er utsatt for dette trykk, og at dette rommet inneholder en detektor som er følsom for bevegelser av det bevegelige element inne i blindrøret. En transmisjonsordning er arrangert mellom fingeren og nevnte element, og detektoren er forbundet med en krets som er istand til å levere et elektrisk signal som representerer forskyvningen av nevnte bevegelige element.

Dette bevegelige element kan bestå av en stav laget av magnetisk materiale, og detektoren er en elektrisk spole.

De blinde rør i transduserne kan være tilpasset langsgående hull i en solid "tønne" forbundet med sondens hoveddel. Deres åpne ender danner en ring på en av tønnens endeflater. Deres lukkende ender passer inn i individuelle spor i tønnen, hvori er plassert de respektive detektorer.

Transmisjonsanordningen kan omfatte en pumpeinnretning som kan frigjøre det bevegelige element fra påkjenninger på tvers av dets bevegelsesretning som følger av en bevegelse av den respektive finger. Dessuten er nevnte transmisjonsanordning montert i en kanal inne i sonde-hoveddelen, og er forbundet ved begge ender med passasjer som leder utenfor sonden.

En dimensjons-loggesonde kan også bestå av et flertall elektromagnetiske transdusere fordelt rundt hoveddelen, hvor hver transduser er følsom for bevegelsen av en finger montert svingbart på hoveddelen, i samsvar med variasjoner i tverrmålet av det røret hvori sonden beveger seg. En slik konstruksjon er vesentlig forbedret i sammenligning med anordninger av tidligere kjent teknikk. I denne sammenheng er sonden spesiell ved at hver transduser omfatter en spole, og en magnetkjerne av høy permeabilitet montert inne i spolen. Spolen og kjernen kan bevege seg i forhold til hverandre i samsvar med tverrgående bevegelse av den tilhørende finger, og hver spole er montert i en elektrisk krets som omfatter midler for å påtrykke en spenningstransient på spolene, og en anordning for å måle den tid det tar for kretsens elektriske karakteristikk å undergå en forutbestemt utvikling som følge av nevnte transient. En oppnår således en tidsmåling som varierer i samsvar med tidskonstanten av den kretsen hvor spolen er innkoblet. Tidskonstanten er avhengig av graden av kjernens inntrengning i spolen. Denne utvikling av den elektriske karakteristikk korresponderer fortrinnsvis med en variasjon i strømmen gjennom spolen mellom to verdier som er plassert i et forutbestemt forhold til hverandre. Den første verdien kan med fordel være verdien av en strøm som sendes gjennom en motstand i serie med spolen, hvor seriekretsen blir kortsluttet ved begynnelse av målingen for å påtrykke nevnte transient i form av et spennings-trinn. Anordningen for måling av tidsintervallet i forhold til utviklingen av karakteristikken kan med fordel omfatte en pulstellende klokkekrets som gir direkte numerisk utlesning av angjeldende tidsintervall.

Det kan være anordnet en multiplekserkrets for å forbinde spolen i hver transduser sekvensielt med en målekrets som kan føre en målesyklus på spolen. Denne krets er felles for alle transduserne. Fra utangen av denne kretsen er det lett å utføre serietransmisjon av målingene tatt med forskjellige transdusere. Målesyklusen for hver transduser kan omfatte en etableringsfase for en gitt strøm inne i spolen, fulgt av en oppbygningsfase til en forutbestemt brøkdel av verdien.

På grunn av den meget enkle og kompakte konstruksjon av disse transdusere, kan en oppnå en dimensjons-loggesonde omfattende et stort antall føler-fingre som hver er forbundet med en tilhørende transduser i en sonde med liten diameter.

Det er, bemerkelsesverdig, mulig å oppnå, i hvert fall over en stor del av bevegelsen for hver finger, en tidsmåling som kan variere praktisk talt lineært med bevegelsen, og som kan gi direkte numerisk avlesning i en sekvensiell form som lett kan sendes over en serie-transmisjonslinje.

En oppnår en fremgangsmåte for å måle bevegelser ved hjelp av en transduser bestående av en spole og en kjerne med høy magnetisk permeabilitet, som beveger seg i forhold til hverandre i samsvar med den bevegelse som skal måles, hvor man påtrykker en spenningstransient på spolen, og så måler den tiden det tar å utvikle en forutbestemt karakteristikk av spolekretsen i samsvar med transienten.

En bevegelsestransduser som virker i samsvar med den nettopp omtalte fremgangsmåte, kan også tilveiebringes, såvel som forskjellige utførelser som vil fremgå av de følgende forklaringer.

En ikke-begrensende beskrivelse av en utførelse skal

nå gis med referanse til de medfølgende tegninger, hvor:

Fig. 1 er en dimensjons-loggesonde vist i lengdesnitt; Fig. 2 er et oppriss av en slik sonde; Fig. 3 er et lengdesnitt av en del av sonden på Fig.2;

Figurene 4 og 5 er lengdesnitt av forstørrede deler av

Fig. 3, hvor Fig. 5 plasseres nedenfor Fig. 4; Fig. 6 viser en detalj av Fig. 5 langs et langsgående snitt-plan perpendikulært med Fig. 5's plan; Fig. 7 er et tønne-element fra Fig. 3, sett nedenfra; Fig. 8 er et skjematisk diagram av kretsen som beskyttes i sonden på de øverige figurer; Fig. 9 og Fig. 10 er signaldiagrammer som funksjo av tid, brukt til forklaring av kretsen på Fig. 8; Fig. 11 er en skjematisk representasjon av arrangementet av målekretsen for alle transduserne i sonden ifølge de foregående figurer.

En oljebrønn 10 (fig.l) gjennomtrenger jordoverflaten gjennom geologiske formasjoner 14. Hullet begrenses av en stålhylse 14 som gjør det mulig å "konsolidere brønnveggen. På overflaten er brønnen lukket med et brønnhode 18 forbundet med toppen av et produksjonsrør 21 med'mindre diameter enn hylsen og løpende ned gjennom hylsen til en sone 22 som begrenses av en pakning 24 mellom nedre ende 25 av produksjonsrøret 20 og hylsen 16. Produksjonsrøret 20 brukes til å bringes opp til overflaten de fluida som produseres i brønnområdet 22, takket være perforeringer 26 i hylseveggen. Væskene, som kan flyte langs en stigende bane som vist skjematisk med pilene 28,

kan føre med seg sand og slipende partikler. Dessuten kan de inneholde kjemiske forbindelser som kan angripe stålet i de rørene som utgjør hylsen 16 og produksjonsrøret 20. Disse rørene blir således utsatt for korrosive fenomener som med

tiden vil kunne påvirke deres funksjon. Det er derfor viktig

å overvåke rørenes tilstand. For dette formål kan deres diameter måles ved hjelp av en dimensjons-loggesonde 30 som senkes ned i brønnen 10 gjennom produksjonsrøret 20, ved enden av en kabel 32 som vinnes av en vinsj på overflaten, og går over en trinse plassert loddrett over brønnen. Kabelen benyttes ikke bare til mekanisk støtte for sonen, men også for overføring av elektriske data, spesielt målinger, mellom sonden og overflaten, såvel som kraftforsyning til de elektriske kretser i sonden.

Sonden 30 (fig.2) omfatter en avlang hoveddel hvis diameter er tilpasset diameteren enten av hylsen 16 eller pro-duks jonsrøret hvori instrumentet 30 skal utføre målinger, eller hvor det må passere gjennom for å nå brønnsonen nedenfor pak-ningen 24.

En sonde 30, beskrevet her som et eksempel, omfatter

fire langsgående moduler plassert ende til ende:

en styremodul 40, en såkalt dimensjons-loggemodul 50 i funk-sjonsstilling for verktøyet i en brønn over modulen 40, en kapsel 60 som huser de elektroniske kretser nødvendig for å drive sonden og som ved sin øvre ende 62 kan forbindes med et verktøy-hode 64 utstyrt med en tilkoblingsanordning for kabelen 32. Den nedre del 42 av styringsmodulen er forbundet med en aktiveringsmodul som består av sondens nedre ende, mott-satt tilkoblingen av kabelen 32.

Modulen 40 er utstyrt med to trinn, henholdsvis 42 og 44,

og seksinntrekkbare sentreringsputer. Hvert trinn omfatter 3 puter 45 jevnt fordelt rundt den sylindriske del av modulen 40, og putene 42 er forskjøvet i forhold til de på trinn 44. Putene 45 er vist til høyre på fig. 2 i utstrakt stilling,

hvor deres ytre overflate kan komme i kontakt med veggen av det rør hvori sonden beveger seg, f.eks. produksjonsrøret 20,

for å holde sonden best mulig sentrert i forhold til rørets akse. Flatene 46 er avlange for å tillate glidende kontakt langs den indre overflate av røret 20 når verktøyet blir ført gjennom røret. Putene 45 er montert på endene av forbindelses-stavene 47 som er hengslet inne i modulen 40 i en avlang åpning 48 hvori putene 45 kan trekkes i en stilling

hvormed det blir holdt i forseglet kontakt ved hjelp av O-ringene. Koplings-stykket 110 omfatter også en øvre han-del 116 som stikker inn i en rørformet skjede 120 som avgrenser elektronikk-kapselen 60. To 0-ringer 122 sørger for tetning av denne forbindelse.

Nå skal refereres til fig. 4. Tønnen 102 gjennomtrenges av et sentrert hull 130 hvorigjennom forbindelses-stangen 92 passerer, og så går inn i koplingsstykket 110. Nedre ende av tønnen 102 er utformet som en ring (fig.7) gjennomtrengt av 16 langsgående hull 509, som hvert er utstyrt med et blind-rør 136 hvis nedre ende leder til endeflaten 135. Den andre ende 139 av røret 136 er lukket (fig. 4). Hullet 130 i tønnen 102 utvides oppover mot sin øvre del hvor det danner et platå 104 på tvers av sondens akse og vendt oppover. I platået er det 16 sylindriske utboringer 142 som hver, på sin nedre ende, har et blinderør 136. En ringformet utsparing 146 er anordnet mellom ytterveggen av hvert rør 136 og innerveggen av utboringene 142. Inne i dette ringformede rom er det anbragt (fig. 4) en induksjonsspole 150 på

1300 tørn på en rørformet form 152 hvis øvre

del passer over den blinde ende 139 av blindrøret (eller hylsen) 136. Denne øvre del 154 av formen 152 blir holdt av en festeskrue 156 i en hylle 157 ved nedre ende av et sylindrisk støttestykke 158 som er plassert mot indre vegg av tønnen 102 i dens utvidede del 159.

På undersiden av den ringformede hylle 157 er det festet en ringformet plate 160 i et isolerende materiale, hvorpå

er montert 16 forbindelsesterminaler 162. Til hver av disse terminaler er forbundet en ende 164 av viklingen 150. Andre enden av viklingen er forbundet med jord. Ved sån

øvre del er hver av terminalene 16 forbundet med en forbindelsesledning 165 som går gjennom en åpning i en isolasjons-hylse plassert rundt den sentrerte forbindelsesstang 92 og støttet av den kant av den ringformede plate 160. Den isol-erte forbindelsesledning går deretter gjennom en langsgående kanal 168 ved nedre ende av han-terminalen 112 på koplings-stykket 110. Denne kanal beskytter ledningen 168 opp til elektronikk-Vapselen 60.

Formen 152 i spolen 150 er laget av et ikke-magnetisk materiale så som titan. Blindrøret eller hylsen 136 er også laget av ikke-magnetisk materialet, f.eks. inconel. Det er slagloddet ved 138 på en tettende måte til tønnen 102,

slik at den hindrer all inntrengning av væske, selv under

høyt trykk, mellom dette rør og det ringformende rom 146

hvori spolen er anbragt. Utvidelsen av slagloddingen 138 blir normalt utsatt for brønnens trykk, som forklart nedenfor.

Tønnen 102 er fremstilt av magnetisk rustfritt stål. Det

skal bemerkes at viklingen 150 i sin helhet er inneholdt i utsparingen 146, og er magnetisk isolert fra nærliggende viklinger av tønnekomponenten 102. Øvre del av platen 140 og utsparingen 146 er ikke utsatt for det trykk som hersker på

den ringformede bunnflaten 135 av tønnen p.g.a. de to O-ringene 170.

Det indre rom 172 av blindrøret 136 blir gjennom rørets nedre ende utsatt for trykket utenfor sonden. Den innvendige kanal 94, hvori er montert transmisjons-styringsstangen 96 forbundet med hver finger 54 er faktisk forbundet med omgivel-sene, på en side ved nedre ende gjennom åpningen 52, og på

den annen side ved den øvre del gjennom et smalt spor 174

mellom øvre del av kappen 51 og nedre endeflate 135 av tønnen 102.

Inne i hvert blindrør 136 er det plassert en langs-

gående og bevegelig avlang stav 176 i et magnetisk materiale med høy permeabilitet, som utformer transduseren 100's kjerne med variabel posisjon. I nærværende eksempel er kjernen fremstilt av en nikkel-legering som selges av acieries d'Imphy under betegnelsen Anister D. Det tilbyr den fordel at det beholder sine magnetiske egenskaper uansett hvilket eksternt trykk det er utsatt for, ulikt materialer basert på ferritt eller laminerte strukturer. I dette eksempel har staven en diameter på omkring 1,6 mm. Lengden er 40 mm.

Nedre ende av staven 176 er forbundet med føler-armene 54 ved transmisjons-styrestangen 96 som gir bidireksjonalt samsvar mellom vinkelbevegelsen rundt svingaksen 81 og den lineære forskyvning av enden på staven 17 6 inne i spolen 150. Trans-mis jonssystemet 96 frembringer dessuten bevegelser samtidig som det unngår å utsette staven 176 for noen bøynings- eller vridningspåkjenning, med midler som skal beskrives nedenfor.

Med dette formål har nedre ende av staven 176 et boss 178 , forbundet med selve staven ved en overgangsflate utformet som en sfærisk ring 179 slik at den danner en del av en oval knott, hvorimpt blir anlagt en innsnevring inne i enden 180 av et rør eller pumpe 182, slik at denne kan utøve en trekk-kraft som bringer staven 176 ut av røret 172 uten å påføre staven noe trykk i motsatt retning.

Nedre endeflate av bosset 178 er avrundet, og i kontakt med en avrundet øvre ende av en nål-stang 186 inne i pumpen 182. Enden 188 av nålstangen 186 (fig. 5) er faset, og passer inn i et spor av trekantet tverrsnitt (se også fig. 6) 190

i øvre endeflate av en kileformet del 192, styrt for å gli inne i kanalen 94. I denne kanal er det utformet en skulder 196, hvorimot er anlagt en bøssing 197 hvori er plassert øvre ende av pumpen 180, og som har en øvre stopper for en spiral-fjær 199 montert rundt pumpen 182 (fig. 4), og hvis nedre ende (fig. 5) ligger an mot en skulder 200 ved nedre ende av pumpen 182. Fjæren 199 virker under kompresjon og utøver, ved reaksjon mot bøssingen 197, en kraft som trekker staven 176

via pumpen 182 mot stålstangen 186.

Nedre ende 202 av pumpen 182 utformer et åk (fig. 6)

rundt enden 188 på nålstangen 186 og øvre del av den kile-formede del 192.

Delen 192 blir styrt i lengderetningen til å gli mellom hoveddelen SO og kappen 106 (fig. 5) ved to paralelle flater 210 og 212 forbundet ved en skrå flate 214 som skrår nedover, bort fra sondens akse. Mot denne flate 214 støter hodet 216

av føler-fingeren ved dennes øvre ende, over dreie-aksen 81 som blir støttet av lageret 501 forbundet med målehodet 51. En holder-ring 502 ved nedre ende av kappen begrenser dreieområdet for fingeren 54.

Når en utløsermekanisme er blitt aktivert under bruk, blir alle fingrene 54 av de tilsvarende fjærene 84 lagt an mot indre vegg av røret hvori sonden 30 blir nedsenket. Sonden blir holdt i sentrert stilling i forhold til rørets akse av senteringsmodulen 40. Den eneste mulige svingebevegelse for fingrene 54 er derfor p.g.a. variasjoner i den indre radius av det målte rør i samsvar med ujevnheter i overflaten, som kan være forårsaket av slitasje og korrosjonsfenomener. De radielle bevegelser av fingertippene 58 blir overført til hodet 216 av hver finger 54, ov ved at dette hodet glir mot den skrå flaten på kilen 192, omformet til en langsgående bevegelse av kilene, som blir sendt, uten klaring, ved det tidligere beskrevne nål- og pumpesystem, til magnetkjernen

eller staven 176. Selvinduktansen av viklingen 150 varierer i samsvar med inntrengningen av staven i dens indre rom.

Måling av selvinduktansen blir utført ved å bestemme en elektrisk karakteristikk av den elektriske kretsen hvori spolen er forbundet, som vil bli forklart nedenfor. Denne måling gjør det mulig å bestemme den nøyaktige stilling av staven inne i spolen som en funksjon av føler-fingerens bevegelse under føringen av sonden.

Spolen 150 blir ikke utsatt for virkning av det trykk

som hersker inne i produksjonsrøret (dette trykk kan variere mellom betydelige ytterligheter med sondens dybde) takket være de to 0-ringene 170 på forbindelses-stangen 92, og spesielt fordi dens indre rom er isolert fra det miljø hvor staven beveger seg av blindrøret 136, som er montert som en hylse på tønnen 102.

De magnetiske egenskaper av staven 176 er ikke følsomme

for det trykk er utsatt for inne i kaviteten 172 i blindrøret 136 og i rommet 95 over kanalen 94. Rommet 95

er med fordel fylt med smørefett, og sporene 174 tillater bevegelse av staven 176 og styrestangen 96 uten å skape over-trykk som ville yte motstand mot staven 176's inntrengning i spolen 150. Takket være denne spesielle konstruksjon blir ikke staven 176 utsatt for noen bøynings- eller vridnings-krefter.

I sonden som beskrevet ovenfor, hvor diameteren med til-baketrukne fingre er 54 millimeter, kan hver finger bevege seg over et område som faller mellom 0 og ca. 14 millimeter. Dette variasjonsområde er effektivt for undersøkelsen av rør,

så som produksjonsrør i oljebrønner og borehulls-hylser,

hvis diameter ligger mellom 59 og 82 mm. Total bevegelse av staven 176 mellom den stilling hvor den er trukket helt tilbake inn i spolen når fingrene 51 er trukket helt inn i åpningene 52

og den maksimale utstrekning av fingeren, er omtrent 7 mm i dette eksempel.

Forholdet mellom bevegelsen av kontakt-tippen 58 for hver finger i den radielle retning og den tilsvarende bevegelse av staven 176 i lengderetning er lineær innenfor 1.5%. Verktøyet kan benyttes i miljøer hvor trykket kan nå verdier på 700 bar. Ved bruk av midler som skal beskrives nedenfor er det mulig å måle forskyvningen av magnetstaven 176 med en nøyaktighet på bedre enn 0,5 mm på radien og med en opp-løsning på under 0,1 mm.

Vi skal nå, med referanse til fig. 8-11, beskrive ut-formingen av en krets for å måle bevegelsen av staven 176

inne i spolen 150,

Kretsen gjør det mulig å oppnå 200 numeriske målepunkter på variasjonsområdet av tidligere indikerte fin<g>erstilling, dvs.ca. 0.075 mm forskjell i radius mellom to suksessive målinger ved utgangen av anordningen. De numeriske utgangs-signaler er lineære funksjoner av variasjonen i den målte radius med en presisjon bedre enn 1% over ca. 70% av området, for temperaturer som kan variere fra 15°C til 150°C eller tilmed 175°C på bunnen av en oljebrønn.

Hver spole 150 (fig. 8) av en transduser 100 er montert elektrisk mellom sondens jord M (jord av metallisk form 152)

og et koblingspunkt 300 hvortil den er forbundet ved en forbindelsesledning 165 som tidligere beskrevet og som er forbundet med en inngang 302 av en sammenligningskrets 304 som mottar et signal U(L,r) hvor U er en spenning, L er selvinduktansen av spolen 150 og r er en motstand som omfatter den egentlige motstand i viklingen 150 samt en motstand som tilsvarer hvirvelstrømtapene i magnetstaven 176.

I serie med spolen 150 er det forbundet en belastnings-motstand r 310 med motstandsverdi R mellom koblingspunktet 300 og koblingspunktet 312 som på en side er forbundet med jord M ved en ledning 314, via en bryter K322. Denne er representert skjematisk som en mekanisk kontakt, men kan i ,

praksis består av en statisk svitsje-krets ved bruk av velkjente midler. Koblingspunktet 312 er dessuten forbundet med en konstant-strøm generator I 316 gjennom en motstand R 311 med en motstandsverdi på R^ som mellom sine klemmer utvikler en spenning v lik R^ x I, hvor I er strømmen generert av konstant-strøm-generatoren I 316. Mellom motstanden R 311 og kobling-

punktet 312 er det plassert en bryter K 321..

Spenning v over motstanden R 311 blir påtrykt

inngangen av en multiplikasjonsforsterker 325 hvis utgang'

326 er forbundet med den andre inngangen av sammenligningskretsen 304 for tilkobling av en signalspenning

(<3> I, hvor 3 er en proporsjonalitets-koeffisient som bestemmes av forsterkningen i forsterkerkretsen 325. Sistnevnt er utformet på vanlig måte av en differensialforsterker 332 med en inngang 333 forbundet med en ende av motstanden R 311 gjennom en motstand 334, og den andre inngangen forbundet med en spenningsdeler utformet av motstandene 336 og 337 mellom den andre enden av motstanden R 311 og jord. Forsterknings-forholdet blir bestemt av en tilbakekoblingsmotstand forbundet mellom utgangen 326 og inngangen 333 av forsterkerkretsen 332.

Under operasjon er bryterne K 321 og K 322 åpne ved be-gynnelsen av en måling. Målingen begynner med at bryteren K 321 slås på, noe som forårsaker en plutselig endring av spenningen ved koblingspunktet 300 mellom viklingen 150 og motstanden R 310 fra verdi null til U^. Påtrykningen av denne spenningspuls blir fulgt av en transient som svarer til den gradvise opp bygning av strømmen I i viklingen 150 opp til et tidspunkt t^ (se fig. 9 og 10) da spenningen ved punktet 300 er stabilisert ved en verdi lik r.I når viklingen gjennomstrømmes av likestrømmen I.

Bryteren K 322 blir så slått på ved tidspunktet t^,

med den følge at en kortslutter seriekretsen av motstanden R 310 og spolen 150, og at strømmen I flyter gjennom kort-slutningsledning 314. Følgen er at spenningen ved punktet 300 plutselig faller til en negativ verdi -RI, hvorpå spolen går inn i en transient-utladningstilstand' under påvirkning av en strøm som søker å bringe spenningsforskjellen mellom klemmene til en null-verdi. Kortslutning av kretsen R 310 og L 150 resulterer m.a.o. i påtrykt spenningspuls ved klemmene

av viklingen 150, hvorfra spenningen ved disse klemmene går inn i en transientfase.

Forsterkningen av forsterkerkretsen 32 5 er valgt slik

at spenningen ved inngangen 306 til sammenligningskretsen 304 tilsvarer én forutbestemt brøkdel av spenningen -RI av

spenningstrinnet som påtrykkes punktet 300 ved tidspunkt t^. Forsterkningen av forsterkerkretsen 325 er dessuten valgt slik at spenningen -(31 er negativ. Et signal 370 kommer derfor opp ved utgangen 305 (V ) ved tidspunktet t^.

Når sammenligningskretsen 304 detekterer t., ved at den avtagende spenning på punktet 300 går gjennom verdien -fJl,

blir signalet 370 ved utgangen 305 opphevet, og dermed blir det mulig å måle tidintervallet ^\t mellom tidspunktene t^ og t2-Dette intervallet blir målt med en pulstellende klokkekrets

som beskrevet nedenfor. Intervallet^t=t2-t^ forholder seg til verdien UL, r) ved punktet 300 som følger:

hvor t er den tiden hvorunder avtagningen (i absolutt verdi) av spenningen U finner sted, og L/R+r er tidskonstanten for seriekretsen av viklingen 150 og motstanden R 310,

R er verdien av sistnevnte motstand.

Ved tidspunktet t2< hvor U(L,r) er lik -pi.

er det mulig å skrive:

I disse formler er éxp den eksponensielle funksjon

og Log den logaritmiske funksjon. Det skal bemerkes at tidsintervallet;!^, er en lineær funksjon av tidskonstanten L/(R+r).

I den utstrekning det er mulig å regne de de magnetiske demp-ningstapene i kjernen 176 som betyderlig over et bredt kjerne-forskyvnings-interval, er det målte tidsinterval/^t propor-sjonalt med selvinduktansen L, som selv er en lineær funksjon av kjernens bevegelse inne i spolen 150.

Et mål for graden av inntrengning i spolen er således oppnådd ganske enkelt ved å følge operasjons-sekvensene illustrert av figurene 9 og 10,, og som omfatter, ved første tidspunkt tQ, påtrykning av et strøm-trinn på motstand/spole-kretsen (R310,L150) forbundet i serie, og så, etter stabilisering av strømmen i spolen 150, kortslutning ved tid av motstand/spole kretsen og måling av tidsintervallet /\t. nødvendig for strømmen gjennom spolen til å nå en forutbestemt del av den opprinnlige påtrykte strøm.

Med en vikling på 1300 tørn og en magnetstav 176 hvis dimensjoner og bevegelse er indikert før, er den anvendelige variasjon i spolens selvinduktans L ca. mellom 2.5 og 30 milli-henry. En slik vikling kan lett oppnås med en tråd-diameter på 0.08 mm og en metallform på 6 mm diameter og 25 mm lengde.

Tatt i betraktning at viklingsmotstanden r, som varierer som en funksjon av koppertrådens temperatur fra 75 til 100 ohm (innebefattet motstanden som tilsvarer de magnetiske dempnings-tap), er en motstandsverdi på 100 ohm brukt for motstanden R 310 i dette eksempel. Den tilsvarende tidskonstant for kretsen varierer da innen området 15 mikrosekunder til ca. 150 mikrosekunder, hvis vi for øyeblikket neglisjerer virkningen av temraturvariasjoner. Strømmen som genereres av konstantstrøm-generatoren I 316 kan velges til en verdi på ca. 10 mA. Det skal bemerkes at denne verdi på ingen måte er kritisk, og at den i det vesentlige avhenger av muligheten av detektor -elektronikken av sammenligningskretsen 304. Det må spesielt bemerkes at en variasjon i strømmen I med temperaturen mellom to forskjellige målinger til forskjellige tider ikke påvirker presisjonen av målingene, da målingen av tidsintervallet^^; tilsvarer et relativt fall i strømmen gjennom viklingen 150, og derforer uavhengig av strømmens absolutte verdi. Tidsintervallet

t er dessuten så kort at ingen temperaturvariasjon som kan påvirke verdien av strømmen I kan finne sted i dette interval.

Den maksimale varighet av tidsintervallet^A^t i dette eksempel er omkring 100 mikrosekunder. Intervallet mellom t^ og tQ, nødvendig for oppbygning av strømmen I i viklingen 150, er neppe mer enn ca. 100 mikrosekunder.

For det indikerte variasjonsområde varierer varigheten

av målingene omtrent mellom 1 mikrosek. og 100 mikrosek. En oppløsning på 200 målepunkter blir oppnådd i dette interval ved bruk av en 2-MHz klokkekrets til å måle tidsintervallet ved å telle klokkepulser mellom tidpunktene t^ og t2- Vi har sett, at selv om den målte tid er uavhengig av strømmen som benyttes for målingen, så er den på den annen side avhengig av motstanden r som i seg selv er avhengig av temperaturen, og denne kan variere i betydelige proposjoner mellom

overflaten og bunnen i en brønn, hvor den kan nå 160°C til 175°C .

For å oppnå en førstegrads korreksjon er det anordnet

en referansetranduser (fig. 3) med en vikling identisk lik spolen 150 hvori en magnetstav lik staven 176 er blokkert i en midlere langsgående posisjon. Denne referansetranduser 400 (fig. 4) er plassert umiddelbart over ringen av transdusere 100, inne i en langsgående utboring 402 i den nedre han-del 112 av koplingselementet 110. Denne del er tilpasset øvre del av tønnen 102, Transduseren 400, men er forbundet med en ledning (ikke vist) med elektronikk-kapselen 60 er derfor i den umiddel-bare nærhet av ringen av transdusere 100 og under identiske temperaturforhold. Følgelig, hvis en måling av tidsintervallet /\t blir utført med denne transduser innen et tidsrom som er nær målingene med transduserne 100, er det mulig å oppnå et middel for å korrigere effekten av temperaturvariasjoner på målingene med transduserne 100. Med dette formål blir målingene med transduseren 400 sendt til overflaten sammen med transduserne 100. Den korresponderende korreksjon blir utført på overflaten.

Hvis N (20) og N' (20) er de respektive tellenivåer som korresponderer med tidsintervallet/\t målt i en av transduserne 100 og i referansetransduseren 400 ved en temperatur på 20°C/

og hvis N(100) og N' (100) er verdiene av disse tidsintervaller målt ved 100°C, kan den målte verdi N(100) bli korrigert til å oppnå en verdi nær målingen ved 20°C i samsvar med følgende forhold:

Dette forhold gir nøyaktig korreksjon hvis inntrecjnings-stillingen av magnetkjernen i transduseren 100 er den samme som av magnetk"jernen i transduseren 400, Det er imidlertid sett at den ekvivalente magnet-tapsmotstand avhenger av inn-trengningsgraden. Følgelig er den korreksjon en oppnår på denne måten bare en førstegrads korreksjon for bevegelsesinter-vallet av kjernen i transduseren. Prøver har imidlertid vist at denne korreksjon er fullt tilstrekklig for den presisjon som er indikert for de radiusmålinger som blir utført med hver finger. Når større nøyaktighet er ønsket er det mulig å oppnå korreksjon av temratureffekten som involverer korreksions-polynomer basert på målinger av referansetransduseren og de målinger som skal korrigeres.

På fig.11 er representert, i lett modifisert form,

det elektroniske kretsskjema assosiert med hver av anordningens viklinger eller spoler, henholdsvis 150-1, 150-2, 150-17 for de 16 transdusere 100 og transduser 400 med deres til-hørende motstander R310-1 til R310-17, de respektive koblings-punkter 300-1 til 300-17 som kan forbindes selektivt med inngangen 302 av sammenligningskrestsen 304 ved hjelp av de respektive svitsjer K341-1 til K341-17.

Koblingspunktene 312-å til 312-17 kan forbindes med jord over respektive jordforbindelser gjennom svitsjene K322-1 til K322-17 og med motstanden R311, som er forbundet med strøm-generatoren 1316 gjennom en banke parellkoblede brytere K321-1 til K321-17.

Som tidligere blir spenningen over motstanden R311 påtrykt forsterkeren 325 hvis utgangen 362 tilfører signal-spenningen -/9l til inngangen 306 av sammenligningskretsen 304.

Utgangen 305 av sammenligningskretsen 304 er forbundet

med en av/på-inngang 352 av en 8-bit digital-tellerkrets 350 som blir tilført et pulssignal Cv på inngangen 354 fra en 2 MHz klokkerkrets 355. Tellerkretsen 350 omfatter åtte paralelle utganger 366, en pr. bit, som' er forbundet i paralell med de respektive innganger av en buffer/registerkrets 360. Denne holder tellerverdiene, som overføres til den fra tellerkretsen, tilgjengelige på åtte paralelle bit-utganger 358 for transmisjon over den elektriske kabel som sonden 30 henger i, via en telemetri-anordning 362, også montert i kapselen 60.

Tellerkretsen 350 omfatter også en tilbakestillingsinngang 353 og en overførings-inngang T357, innrettet til å sjekke og godkjenne for transmisjon det tellernivå som oppnås mellom et startsignal og et stoppsignal på inngangen 352 i buffer/ registerkretsen 360, gjennom utgangene 356.

Under operasjon blir hver av bryterne K med det samme indeks 1 til 17 aktivert under en målesekvens. Dette gjør det mulig å skape, for hver vikling 150-1 til 150-17 i tur, en oppladningsperiode mellom tidspunktene tQ og t^ og en utladning-speriode mellom tidspunktene t^ og t2. de sammenligningskretsens utgang 305 genererer en spenningspuls Vc

(kurve 370, fig. 10). Det merkes, at ved tidspunktet t^ går spenningen U(L,r) plutselig gjennom spenningsnivået - fil mot de negative verdier. Dette nivå krysses igjen under den eksponensielle degradering av strømmen i viklingen 150 ved tidspunktet t2- Signalet ved utgangen 305 korresponderer derfor med varigheten av intervallet^\t. Tellerkretsen 350

blir energisert under varigheten av dette signalet, og teller-verdien representerer således en numerisk indikasjon av varigheten.

Etter en målesyklus på spolen 150-1, som involverer bryterne bragt til åpne tilstand, og en målesyklus på spolen 150-2 blir begynt ved å aktivere bryterkretsen K321-2, 322-2 og K341-2.

Svitsjesekvensene blir styrt av en dekoderingslogikkrets

3 80 med 17 x 3 styringsutganger som utgjør 17 grupper på kanal-utganger, 382-1 til 382-17. Hver gruppe av styrings utganger korresponderer til en målesyklus og omfatter, f.eks. for gruppen 382-1, en styringsutgang for svitsjkretsen K321-1, en styrings- - utgang forsvitsjekretsen 322-1 og en styringsutgang for svitsje-kretsen 341-1 i samsvar med den sekvens som kreves for styring av målinger av bevegelse i viklingen 150-1. Logikk-kretsen 380 omfatter også en tilbakestillingsutgang 384 forbundet med tilbake-stillingsutgangen 353 på tellerkretsen 350, og en overførings-utgang T385 forbundet med overførings-inngangen på tellerkretsen T357, hvis funksjon er forklart før.

Dekodingslogikk -kretsen blir styrt gjennom en kanal-sekvenseringskrets 390 og en syklus-sekvunseringskrets 392.

Disse to kretsene omfatter tellerkretser, og inngangen 391 av kretsen 390 er forbundet med utgangen av klokkerkretsen 355. Kretsen 390 er utstyrt med dekodings-anordninger for utgangs-tilstanden av sine tellerkretser for å frembringe: på .første utgang 421, forbundet med en selektiv inngang på logikk-kretsen 380, et signal som tilsvarer operasjon av svitsjekretsene 321

ved tidspunktet t for å starte hver syklus;

på utgangen 441, forbundet med en respektiv inngang på dekoder-logikk-kretsen et signal for å operere svitsjerkretsene K341

ved tidspunktet t^ ; og på en tredje utgang 422, også forbundet med en respektiv inngang på logikk-kretsen 380, et signal for styring av svitsjkretsenen 322 ved samme tidspunkt t^ for hver sekvens.

Ved slutten av hver målesyklus på en vikling, styrer utgangen 394 av sekvenseringskretsen 390 inngangen av syklus-tellerkretsen 392, som har 17 utganger 395-1 til 395-17 forbundet med 17 respektive innganger på dekoder-logikkretsen, for å tillate gjennomgang av styringsignalene 421, 441 og 422 til svitsjkretsene forbundet med neste vikling. Sekvenseringskretsen 392 omfatter også en en fire-paralellbit binærkode-utgang 396 som leverer en numerisk indikasjon av adressen for

i den transduser som tilsvarer den energiserte utgang blant utgangene 395-1 til 1395-17. Adresse-bits'ene blir sendt til telemetri-kretsen 362 fdr å utforme en beskjed på kabelen 32, som forbinder med hvir transduser (spolene 150-1 til 150-17) den numeriske verdi ^ av det tilsvarende tidsinterval/\t.

Målingen jav stavens bevegelse i hver vikling finner således sted, ifølge oppfinnelsen, på en sekvensiell måte for å direkte oppriå en numerisk indikasjon som varierer praktisk talt lineært m^d den tilsvarende bevegelse. Denne ikke-kontinu-erlige karakter av målingene blir dessuten brukt til å utføre en sekvensielJ avlesning av hver transduser. Slike målesek-venser er vel {egnet, spesielt i de tilfelle hvor en sonde henger i en kabel hvormed transmisjon av data finner sted i . serier. Viderie, i tilfelle av en sonde som tenkes senket

ned i en brønn) gjennom rør med liten diameter, kan en spare plass ved å benytte jett enkelt elektronikk-system for måling (sammenligningskrets S1304, forsterker 325) og for tidstelling (tellerkrets 3 50). Den sekvensielle natur av operasjonen av hver vikling tilbyr dessuten den fordel at en eliminerer over-

høring ved magnetisk kobling mellom spolene 150-1 til 150-16.

De egentlkge måleinnretninger, dvs. viklingene med deres tilhørende kjerner eller staver, er meget enkle. En bevegelsestransduser har| faktisk blitt anordnet som omfatter en -enkelt krets som ikkei trenger noen kondensator eller noen oscillerende innretning, og| som har den fordel at den frembringer en li-

neær respons påf relative bevegelser av magnetstaven og viklingen. Denne lineæritet av variasjonen blir oppnådd over en stor del

av transduserehs bevegelsesområde. Det signal man oppnår blir vist direkte i digital form, og tilbyr således i mange tilfelle forde]ler for behandling en etterfølgende måledata-transmisjon.

Det skal dessuten bemerkes at denne transduser tillater slike sekvensielle målinger ved relativt høy frekvens, i hvert fall høyere enn 500 Hz i det valgte eksempel. Dette gjør det mulig, særlig i det tilfelle hvor en ønsker sekvensielle målinger på flere transdusere, å avlese alle målekanalene på relativt kort tid. I tilfelle av en sonde er denne tid fullt kompatibel med

en akseptabel målingstetthet som en funksjon av dybde. Som et eksempel, med en sonde som løftes i et rør med en hastig-

het av 30 cm/sek, blir antallet av målinger levert av hver finger, dvs. på hver av de 16 målepunkter i det undersøkte rør, litt mindre enn én måling pr. cm.

Den nettopp beskrevne transduser tilbyr også, i tillegg

til sin enkelhet, den fordel at målingene som utføres er praktisk talt uavhengige av variasjoner i målestrømmen som en funksjon av temperatur. Den egner seg dessuten vel til korreksjon av de oppnådde måleverdier som en funksjon av brukstemperatur,

noe som er meget verdifullt i det tilfelle hvor en sonde skal senkes ned i en brønn hvor det er betydlige temperaturvariasjoner. Innenfor rammen av anvendeligheten av en slik transduser ved konstruksjon av en dimensjons-loggesonde er det mulig, på grunn av dens lille størrelse, å installere et stort antall fingre med tilsvarende transdusere rundt sonde-hoveddelen. Videre, spesielt sammenlignet med arrangementer av tidligere kjent teknikk, krever en slik bevegelsestran6duser bare én ledning pr. vikling i retning mot elektronikk-kapse-

len, den presenterer ingen problemer m.l.t. variasjoner i målekarakteristikk som funksjon av frekvens, og tillater sekvensielle målinger ved høy frekvens p.g.a. den meget korte stabiliseringstid nødvendig for å etablere den strøm som skal påtrykkes viklingen før den egentlige måling.

Til slutt, slike bevegelsestransdusere er spesielt vel-egnet for konstruksjon av en dimensjonsloggesonde, spesielt for måling av brønner, hvor transduserens kjerner er fremstilt av staver av magnetisk materiale med høy permeabilitet, som kan bevege seg i et element utformet som et fingerbøl eller en hylse, utsatt for et eksternt trykk som kan variere bet-yder lig, og hvor viklingen kan plasseres rundt den hylse-

formede komponent. En har således oppnådd et dimensjons-loggesystem som omfatter et meget stort antall transdusere med et minimalt antall bevegelige deler, og som kombinerer

Claims (4)

1. Apparat for måling av de innvendige dimensjoner av et rør, spesielt i en brønn, omfattende en sonde med en avlang hoveddel, tilpasset for å være bevegelig i røret, et flertall følere (54) bevegelig montert i forhold til sondens hoveddel i samsvar med variasjonene av de indre tverrgående dimensjoner av røret mens sondens hoveddel beveges inne i røret, og for hver av følerne (54) en forskyvningstransduser som er innrettet for å fremskaffe en elektrisk måling av de tilsvarende forskyvninger og som omfatter et blindrør (136) montert i sondens hoveddel, et bevegelig element (176) omfattende en stav av magnetisk materiale som trenger inn i blindrørets (136) indre og en deteksjonsanordning i form av en elektrisk spole montert rundt røret for å reagere på variasjoner i posisjonen til det bevegelige elementet (176) inne i blindrøret, idet en transmisjonsanordning (96) er tilveiebragt for å omforme bevegelsene til føleren som svarer til nevnte transduser, til forskyvninger av de bevegelige elementer (176) inne i blindrøret (136) , karakterisert ved at blindrøret (136) til hver forskyvningstransduser er montert på forseglet måte i sondens hoveddel på en slik måte at dens innvendige rom (172) utsettes for det trykk som foreligger på utsiden av sondens hoveddel, og at i det minste en del av dens utvendige rom er avskjermet fra dette trykket, og ved at transdusernes blindrør (136) er innkapslet på forseglet måte i langsgående hull i en massiv tønne (102), hvilken tønne er stivt festet til sondens hoveddel (51), hvilke hull er anordnet slik at deres åpne ender (138) danner en ring på en av tønnens endeflater.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at den lukkede ende av hvert blindrør (136) trenger inn i et individuelt hulrom (146) i den massive tønnens (102) legeme, hvilket hulrom huser spolen (150) rundt enden av det tilsvarende blindrør (136).

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at transmisjonsanordningen omfatter en pumpeinnretning (182) som er anordnet for å beskytte det bevegelige element fra krefter som er tverrgående i forhold til elementets bevegelsesretning i det tilsvarende blindrør.

4. Apparat ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at transmisjonsanordningen er montert mellom hver føler og hver transduser i en langsgående kanal anordnet inne i sondens hoveddel (51), hvilken kanal er forbundet med utsiden av sistnevnte ved hjelp av passasjer (174) ved dens nedre og øvre ende, idet den sistnevnte passasje befinner seg i umiddelbar nærhet av åpningen i blindrøret (136) som det tilsvarende bevegelige element trenger inn i.