NO176155B - Trykkgiver - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en trykkgiver, særlig en trykkgiver for bruk i hydrokarbon-brønner.

Rekkefølgen av operasjoner som skal foretas for utvinning av et oljereservoar omfatter, etter at brønnen er boret, en evaluering av reservoaret, og målinger utføres for å bestemme de forhold under hvilke reservoaret kan utvinnes, om det i det hele tatt er mulig. Dette stadium betegnes som "testing". De forskjellige utførte målinger gjelder temperaturen og trykket i fluidet i brønnen. Temperatur- og trykkgiverne som skal anvendes må kunne tåle strenge driftsforhold og bibeholde sin pålitelighet i hele den tid en måleperiode varer, dvs. tre til fire uker. Det er derfor angitt miljø-spesifikasjoner for slike givere. Særlig må de kunne tåle temperaturer i området -50°C i lagringsøyemed til mer enn 200°C under drift nede i hullet. De må også kunne tåle trykk i området 1 bar til 1400 bar, dvs. 14 x 10<7> Pa. Når det gjelder drift angir pålitelighetsspesifikasjoner nøyaktigheten av den målte verdi, stabilitet, både langsiktig og kortsiktig, samt hysterese.

De givere som for tiden er på markedet tilfredsstiller ikke disse spesifikasjoner fullt ut. En av de forekommende givertyper omfatter et hus med en innsveiset målecelle. Målecellen består av et enkelt, flatt stålsubstrat på hvilket det er avsatt et isolasjonslag, fulgt av en strekklapp-krets som i sin tur er dekket av et andre isolasjonslag, idet to metall-koplingsfliker er udekket. Cellen er festet innvendig i huset på tettende måte, dvs. det trykk som skal måles virker på en første endeflate på cellen mens cellens andre endeflate utsettes for et referansetrykk, særlig for atmosfæretrykk.

Det knytter seg alvorlige ulemper til denne konstruk-sjonstype.

For det første er forbindelsen mellom måleelementet (eller avfølingsmembranen) og giverhuset, som ofte er utført ved sveising, en potensiell kilde til ustabilitet. Mangelen på mekanisk isolasjon mellom måleelementet og giverhuset kan gi opphav til forskjeller mellom målinger som er tatt før og etter nymontering av giveren, og særlig kan fastspennings-momentet innvirke på utgangsnivået.

Videre observeres giverdrift når giveren utsettes for et høyt trykk over et tidsrom på flere uker i et medium hvis temperatur også er høy. Denne drift kan delvis skyldes uelas-tisitet og krymping.

Britisk patent 1 089 435 viser en trykkgiver som er fremstilt av et deformerbart underlag som bærer motstandselementer i form av tynn film anordnet i en brokonstruksjon. Underlaget er laget av et rør av eliptisk eller ovalt tverrsnitt, av et materiale såsom glasset silisiumoksyd eller safir. En trykk-forskjell mellom rørets innside og utside bevirker deformasjon av røret, hvilket fører til differensial-tøyning av motstands-elementene. Dette patent sier imidlertid intet om midlene for avtetting av rørets indre mot det omgivende fluid, hvilket er et avgjørende punkt for en giver som er beregnet for bruk i media såsom hydrokarbon-brønner, hvor det som ovenfor nevnt kan opptre trykk på opptil 14 00 bar.

US 4 622 855 viser oppbygningen av en celle for en trykkgiver. Cellen omfatter to partier av det samme materialet som er sammenføyet langs et grenseplan. Denne kjente trykkgiver er av typen SAW (surface acustic wave), som er basert på resonanselementer hvis frekvens påvirkes av trykkendringer. Måleprinsippet ved denne kjente anordning er fullstendig forskjellig fra det trykkgiveren ifølge foreliggende oppfin-nelse er basert på, nemlig strekklapp-prinsippet.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en trykkgiver som er innrettet for bruk i høytrykksmedia, som oppviser stor nøyaktighet, som er stabil over tid og pålitelig med hensyn til reproduserbarhet av målingene.

Ifølge oppfinnelsen tilveiebringes en strekklapp-trykkgiver for anvendelse i en oljebrønn, omfattende en celle av et isolerende materiale, som bibeholder sin isolasjonsegenskap ved nedenhullstemperaturer, idet cellens utvendige overflate ved bruk utsettes for trykket som skal måles, og cellen omfatter to partier av nevnte materiale, som er sammenføyet ved et grenseplan og danner et hermetisk avtettet, innvendig kammer hvor trykket er ved en forutbestemt verdi, karakterisert ved at minst ett av disse partier har en deformerbar del med en plan, utvendig overflate som er parallell med grenseplanet, og en tøyningsmåleanordning bestående av elektriske tynnfilm-motstander som er avsatt på den plane utvendige overflate.

Fortrinnsvis omfatter minst ett av partiene en omkretsvegg og en sentral kappe som kretsen er avsatt på, idet bare den sentrale kappen er vesentlig deformerbar under trykk-påvirkning.

Cellematerialet er fordelaktig safir, fortrinnsvis et monokrystall med dets krystallakse forløpende vinkelrett på grenseplanet mellom de to partier av cellen, hvorved oppnås isotropisk spenning i grenseplanet.

Oppfinnelsen og dens særtrekk vil bedre forstås ut fra følgende beskrivelse i tilknytning til de medfølgende tegnin-ger , hvor: Figur 1 er et snitt gjennom en trykkgiver ifølge oppfinnelsen og forsynt med forskjellige halvskall; Figur 2 er et diagram som viser strekklappenes plassering og deres sammenkoplinger på en av endeflatene til cellen som anvendes i trykkgiveren ifølge oppfinnelsen; og Figur 3 er et snitt gjennom cellen langs et plan vinkelrett på dens grenseplan, ved en foretrukket utføringsform av oppfinnelsen.

Trykkgiveren ifølge oppfinnelsen vist på figur 1 omfatter i hovedsaken en målecelle som utgjøres av to deler 10A og 10B som er anbragt innvendig i et giverhus. Cellen bærer en tøyningsmåleanordning i form av elektriske motstander i form av bindefilmavsetninger.

Teknikken for fremstilling av tynne filmavsetninger er beskrevet, særlig i bind 10 av det tekniske tidsskrift "Thin Solid Films" (1972), og særlig i artikkelen av R. G. Duckworth med titel "Tantalum Thin Film Resistor".

Cellen avgir målesignaler som via koplingsmidler 14 over-føres til et for behandling av målesignalene beregnet system som ikke er vist i figurene.

Med henblikk på montering er huset fremstilt i to separa-te deler, nemlig en hoveddel 2 og en fremre del 4 som er fast festet til hoveddelen. Cellen er anbragt inne i et innvendig hulrom 7 som er utformet i hoveddelen 2.

Koplingsmidlene utgjøres av koplingskabler 14 og avtettete gjennomløpere 22 som strekker seg gjennom hoveddelen 2 for å munne ut i det indre hulrom 7 rundt cellen.

Hovedoppgaven til trykkgiverens fremre del 4 er å bringe målecellen i berøring med det omgivende fluidtrykk. I dette øyemed har den fremre del 4 en aksial kanal 5 som ved en ende munner ut mot utsiden og ved sin andre ende mot det indre hulrom 7 inneholdende målecellen. Følgelig trenger mediet på utsiden av giverens fremre del 4 inn i den aksiale kanal 5 og møter målecellen. For å beskytte målecellen er imidlertid en membran 8 anbragt mellom hoveddelen 2 og den fremre del 4 i deres grenseplan. Det ytre medium forblir følgelig på den andre side av membranen 8 uten å komme i direkte berøring med målecellen. Imidlertid er membranen tilstrekkelig bøyelig til å overføre trykket fra det ytre medium til innsiden av det indre hulrom 7 inneholdende målecellen. Volumet av dette hulrom som avgrenses av membranen 8 er fullstendig fylt med olje som således omgir målecellen. Denne olje innføres under sammen-montering av trykkgiveren, etter at de to deler 2 og 4 av huset er blitt sammensatt, og omgir derved membranen 8 og målecellen. Trykket i det indre hulrom 7 blir så minsket for å muliggjøre innføring av olje via en kanal 24 som er utformet gjennom hoveddelen 2. Så snart det indre hulrom 7 er fullstendig fylt med olje trykkes en trykkule 16 mot et konisk sete 26 beliggende ved utløpet fra kanalen 24. En trykkskrue 18 innføres i en forlengelse til kanalen 24 og tvinger kulen

16 mot setet 26 for derved å avtette det indre hulrom 7.

Det vil således sees at hele den utvendige overflate av cellen utsettes for trykket som skal måles, og cellen er mekanisk isolert fra giverens hoveddel 2. Dette gjør det mulig å unngå slike problemer med hensyn til den mekaniske forbindelse av måleelementet, som opptrer ved fremstilling av kjente celler.

I samsvar med et annet hovedtrekk ved oppfinnelsen, avgrenser cellen et hermetisk avtettet innvendig kammer 12. For å kunne måle trykket i det ytre medium, etableres et forutbestemt lavt trykk i det indre kammer 12, hvilket trykk således virker som et referansetrykk ved målingene. Dette trykk er fortrinnsvis ca. 0,1 Pa.

Ved en foretrukket utføringsform er målecellen fremstilt av safir, eller mer bestemt, av en monokrystallinsk safir såsom aluminiumoksyd. Dette stoff har utmerket korrosjons-bestandighet. En meget viktig egenskap ved dette materiale, på bakgrunn av at cellen bærer en strekklapp-krets som danner måleelementet, er at safir har et fullkomment elastisk og lineært forløp helt til bruddpunktet. Den har overhodet ingen plastisitet og den er upåvirkbar overfor dislokasjonsbevegelse og krymping, fenomener som delvis er årsak til den drift man observerer ved kjente givere.

Valget av safir som materiale for fremstilling av cellen har også den fordel at safir er en god isolator, slik at man unngår behovet for det isolasjonslag som er nødvendig mellom det kjente metallsubstrat og tøyningsmåleanordningen. Sløy-fing av isolasjonslaget innebærer ikke bare enklere fremstilling av giveren, det bedrer også giverens karakteristika ved å eliminere problemer i forbindelse med at isolasjonslaget blir mindre effektivt som isolator når det utsettes for høy temperatur .

I en hensiktsmessig utføringsform er målecellen utformet som to skall-halvdeler 10A og 10B som hver danner en innvendig kammer-halvdel, som vist i figur 3. Skall-halvdelene er sammenføyet i et felles plan eller grenseplan 11 på en slik måte at de danner det innvendige kammer 12. En tegningsmåle-anordning er anbragt på en plan flate 2 0 på en av skall-halvdelene 10A, hvilken flate er parallell med grenseplanet 11.

De to skall-halvdeler 10A og 10B er sammenføyet på avtettet måte ved hjelp av et forseglingsglass som har en utvidel-seskoeffisient meget nær utvidelseskoeffisienten for safir i grenseplanet 11. Teknikken for opprettelse av en slik sammen-føyning er særlig beskrevet i sveitsisk patentsøknad nr. 8272/79, publiseringsnr. 632 891 G.

Safiren er fortrinnsvis en monokrystall og er slik skåret at de danner to skall-halvdeler 10A og 10B som har den samme krystallakse. Aksen som strekker seg vinkelrett på grenseplanet 11 og på flaten 20 som strekklappene er avsatt på, utgjør krystallets krystallakse c. Ettersom dets struktur er en sekskant, oppviser safir deformasjoner, utvidelser, og spenninger som er isotrope i et plan vinkelrett på dets krystallakse c. For konvensjoner med hensyn til aksen til et krystall henvises til verket med titel "Physical Properties of Crystal" av J. F. Nye, utgitt av Oxford University Press, New York, 1985. Ved å velge å ha krystallaksen i denne retning vil problemer på grunn av differensialekspansjonen i grenseplanet 11, som kunne ødelegge langtids-stabiliteten til tet-ningen i grenseplanet, bli eliminert, slik at man unngår problemer med langtids-stabilitet ved giveren.

I figur 1 er de to skall-halvdeler 10A og 10B vist som om de har forskjellige innvendige overflater, i den hensikt å vise flere av de mulige utføringsformer av disse to skall-halvdeler.

Figur 3 viser en foretrukket utføringsform hvor målecellen omfatter identiske skallhalvdeler 10A og 10B. Hver skallhalvdel omfatter en omkretsvegg med grenseplanet 11 ved dens endeflate og sylindriske utvendige og innvendige overflater og et sentralt kappeparti med en innvendig overflate i form av en avflatet elipsoide og en plan utvendig overflate. På grunn av cellens symmetri er denne utføringsform optimal med sikte på minsking av spenningen i grenseplanet.

Et alternativ til utføringsformen i figur 3 omfatter én skall-halvdel som den vist ved 10A og, istedenfor en skall-halvdel 10B, en sylindrisk plate eller skive med samme utvendige overflate som skallhalvdelen 10B, men en innvendig plan flate i flukt med grenseplanet. I dette tilfelle vil cellens innvendige kammer være begrenset til den øvre halvdel av kammeret 12 som vist i figur 3, og tøyningsmålekretsen vil være anbragt på skallhalvdelens 10A utvendige overflate, som da vil være det eneste deformerbare parti av cellen. Som i de andre utføringsformer vil de to partier av cellen, nemlig den sylindriske skive og skallhalvdelen, være av samme materiale, fortrinnsvis safir.

Cellen er fortrinnsvis fleksibelt montert innvendig i det indre hulrom 7, avstandsstykker av fleksibelt materiale er innført på veggene i det innvendige hulrom 7.

Membranen 8 er laget av et materiale som har mekaniske egenskaper som er stabile over det temperaturområde hvorunder trykkgiveren anvendes. Den må imidlertid også oppvise en høy grad av elastisk deformasjon for å kunne overføre trykk i det ytre medium til oljen som omgir målecellen. God korrosjons-fasthet i et vanndig medium er nødvendig ved denne anvendelse.

Figur 2 viser en tøyningsmåleanordning basert på elektrisk motstand, som anvendt i en giver ifølge oppfinnelsen. Cellens diameter ved dens overflate 2 0 som anordningen er anbragt på er ca. 10 mm. Anordningen omfatter hovedsakelig fire små motstander 22, også betegnet som strekklapper. Deres sentrale partier kan være mindre enn 50 /im brede. Motstandene 32 er sammenkoplet i form av en Wheatstone-bro. Wheatstone-brokretsen er anbragt rundt midten av cellens overflate 20 og er symmetrisk anordnet i forhold til flatens sentrum samtidig som den strekker seg langs en diameter av denne. Forbindelser 34 sammenkopler motstandene 32 og kan fremstilles ved bruk av samme materiale som motstandene 3 2 og kan være anordnet samtidig med disse. Forbindelsene har stort areal for minst mulig elektrisk motstand. Denne utforming sikrer således en høy grad både av temperatur-stabilitet og langtids-stabilitet. Metallkontakter 38 forbinder forbindelsene 34 via metalltråder 40 til koplingskablene 14 som er oppatt i forseglete gjennom-løpere 22. Et beskyttelseslag 50 er plassert over tøynings-måleanordningen, slik at bare metallkontaktene 38 vises gjennom beskyttelseslaget.

På overflaten 20 vist i figur 2 er det en motstand 36 som er plassert ved omkretsen av overflaten ved et sted hvor den ikke utsettes for deformasjon under påvirkning av trykk. Denne motstand utgjør et middel for måling av tøyningsmåle-anordningens temperatur. Denne motstand og dens forbindelser er utført på samme måte som tøyningsmåleanordningen.

Beskyttelseslaget 50 for isolering av motstandene 32 og forbindelsene 34 dekker også motstanden 36. Motstanden 36 er likeledes via to kontakter 38 forbundet med en av kablene 14 som løper gjennom huset 2 via de avtettete gjennomløpere 22. Derved blir det mulig å plassere middelet for måling av tøy-ningsmåleanordningens temperatur så nær anordningen som mulig og på den samme overflate 20.

Den temperaturmåling som oppnås på denne måte kan anvendes til å kompensere for virkningene av temperaturen på strekklappene, og derved gjøre det mulig å tilveiebringe en trykkgiver som i praksis er upåvirket av temperaturvariasjoner.

Tøyningsmåleanordningen i form av en Wheatstone-bro justeres ved å avansere broen ved å fjerne materiale fra forbindelsene 34. Dette kan gjøres ved hjelp av en laser.

Claims (7)

1. Strekklapp-trykkgiver for anvendelse i en oljebrønn, omfattende en celle av et isolerende materiale, som bibeholder sin isolasjonsegenskap ved nedenhullstemperaturer, idet cellens utvendige overflate ved bruk utsettes for trykket som skal måles, og cellen omfatter to partier av nevnte materiale, som er sammenføyet ved et grenseplan og danner et hermetisk avtettet, innvendig kammer hvor trykket er ved en forutbestemt verdi, karakterisert ved at minst ett av disse partier har en deformerbar del med en plan, utvendig overflate som er parallell med grenseplanet, og en tøynings-måleanordning bestående av elektriske tynnfilm-motstander som er avsatt på den plane utvendige overflate.

2. Giver ifølge krav 1, karakterisert ved at minst ett av cellepartiene omfatter en omkretsvegg og et sentralt kappeparti på hvilket kretsen er avsatt, idet bare kappepartiet er vesentlig deformerbart.

3. Giver ifølge krav 2, karakterisert ved at cellepartiene er symmetriske i forhold til en akse vinkelrett på grenseplanet.

4. Giver ifølge krav 3, karakterisert ved at kappepartiet har en innvendig overflate i form av en avflatet ellipsoide.

5. Giver ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at cellepartiene er identiske skall-halvdeler.

6. Giver ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at cellen er laget av safir.

7. Giver ifølge krav 6, karakterisert ved at cellen er laget av monokrystallinsk safir hvor krystallaksen (c) er vinkelrett på grenseplanet (11).