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Rohrförmige Druckmeßsonde zur Fernmessung des von dem Flüssigkeitsstand
abhängigen Druckes in einem Bohrloch Die Erfindung betrifft eine rohrförmige Druckmeßsonde
zur Fernmessung des von dem Flüssigkeitsstand abhängigen Druckes in einem Bohrloch
mit einem von dem Druckmeßelement gesteuerten elektrischen Meßglied, mit einer Vorkammer,
die mit der Bohrlochflüssigkeit verbunden ist, einer mit einer Meßflüssigkeit gefüllten
und durch eine Membran gegen die Vorkammer abgeschlossenen Zwischenkammer sowie
einer abgeschlossenen, das Meßwerk enthaltenden Meßkammer.
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Bei Bohrungen großer Tiefe, beispielsweise bei Erdölbohrungen, können
auf eine in größerer Tiefe angeordnete Meßsonde entsprechend hohe Drücke einwirken,
wenn beispielsweise der Flüssigkeitsspiegel der im Bohrloch stehenden Flüssigkeit
vor Beginn oder bei längerem Aussetzen der Förderung ansteigt oder angestiegen ist.
Da die Meßsonde oft bei hohem Flüssigkeitsstand in das Bohrloch abgesenkt wird,
erreicht sie auf der Einbautiefe eine höhere auflastende Flüssigkeitssäule, als
sie dem Einschaltpunkt der Sonde in Zusammenschaltung mit einem Fördermotor entspricht.
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Die Meßsonden sollen Anderungen des Flüssigkeitsspiegels im Bohrloch
auf wenige Meter erfassen, um beispielsweise durch Zu- und Abschalten der Förderpumpe
den Flüssigkeitsspiegel auf einer konstanten Höhe zu halten. Ohne eine besondere
Ausbildung der Meßsonde kann daher nur ein Bruchteil des Meßbereichs ausgenutzt
werden, so daß die Messungen ungenauer sind und gegebenenfalls die Schaltwege für
das elektrische Meßglied kleiner sind, als wenn das Druckmeßelement nur für den
zu überwachenden Schwankungsbereich angepaßt wäre. Dies ist aber nicht ohne weiteres
möglich, weil das Druckmeßelement sonst beim Auftreten der hohen Drücke überlastet
und möglicherweise zerstört wird.
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Es ist bereits aus der USA.-Patentschrift 2 637 998 bekannt, bei
einer Druckmeßsonde für Bohrungen ein von einem Druckmeßelement gesteuertes elektrisches
Meßglied zu benutzen und das Meßglied in einer besonderen Kammer anzuordnen, wobei
das Innere des Druckmeßelementes mit der in einer Vorkammer enthaltenen Bohrlochflüssigkeit
in Verbindung steht. Bei einer derartigen Vorrichtung ist das Druckmeßelement unmittelbar
dem Flüssigkeitsdruck im Bohrloch ausgesetzt, so daß beispielsweise ein zu hohes
Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels über den Ort der Meßsonde zu Beschädigungen des
Druckmeßelementes führt.
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Zur Beseitigung von Überlastungen des Druckmeßelementes ist es bei
Manometern allgemein, wie z. B. aus der deutschen Patentschrift 308 940 und
dem deutschen
Gebrauchsmuster 1 799 974 an sich bekannt, ein Überdruckventil in den Weg der Druckübertragung
einzuschalten.
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Die einfache Übertragung der Anordnung eines Überdruckventils zwischen
dem Druckmeßelement und der zu messenden Flüssigkeit führt bei einer Bohrlochsonde
zu der Schwierigkeit, daß beim Ansteigen der Umgebungstemperatur nach dem Schließen
des Überdruckventils der Druck im Meßraum weiter infolge der Wärmeausdehnung der
abgeschlossenen Flüssigkeitsmenge ansteigt und schnell zur Schädigung des Druckmeßelementes
führt. Diese Wirkung wird insbesondere durch die Angabe anschaulich, daß in Erdölbohrlöchern
oft Temperaturen von über 1500 C herrschen, so daß bei Abschaltung und Wiedereinschaltung
der Förderung an einer bestimmten Stelle im Bohrloch erhebliche Temperaturunterschiede
auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Meßsonde der oben
beschriebenen Art in Verbindung mit einem Überdruckventil den Einfluß von Temperaturschwankungen
auf das abgeschlossene Meßsystem zu beseitigen. Dies wird erreicht, indem ein in
der Zwischenkammer angeordnetes, an sich bekanntes Überdruckventil mit einem elastischen
Ventilsitz versehen ist und der Ventilschaft an der dem Druckmeßelement zugewandten
Seite eine Absetzung aufweist, deren Stellung das Volumen eines Ausdehnungsraumes
bestimmt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel im Längsschnitt dargestellt.
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Das Gehäuse 1 der Meßsonde besteht aus einem rohrförmigen Körper
mit einer Meßkammer 2 und ist am oberen Ende durch ein Kopfstück 3 verschlossen,
durch das ein Meßkabel 4 eingeführt ist. Das Meßkabel
4 ist mittels
einer Stopfbuchse 5 zuverlässig abgedichtet und an eine nicht gezeichnete, über
Tage angeordnete Anzeige- oder Schaltvorrichtung für eine elektromotorisch angetriebene
Förderpumpe angeschlossen. Das Meßkabel 4 dient gleichzeitig zum Tragen der in das
Bohrloch abgesenkten Meßsonde 1.
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Die Meßkammer 2 ist an ihrem unteren Ende durch ein dicht in das Gehäuse
1 eingesetztes Bodenstück 6 verschlossen, das eine längliche zylindrische Form aufweist
und die Teile eines Überdruckventils aufnimmt.
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Das Überdruckventil besteht aus einer Federkammer 7, die mit Spiel
in das Bodenstück 6 eingesetzt ist und eine Feder 8 aufnimmt. Die Feder 8 drückt
auf einen Federbolzen 9, der mit einem Ventil 10 unter Einfügung einer Membran und
eines Zwischenringes druckdicht verschraubt ist. Andererseits ist die Membran zwischen
der Federkammer 7 und einem dicht im Bodenstück 6 angebrachten Ventilkörper 13 eingeklemmt.
Der Ventilschaft 10 besitzt einen Kolben, der bei angehobenem Ventilschaft mit der
Bohrung eine veränderliche Ausdehnungskammer bildet. Der Ventilschaft 10 hat in
dem Ventilkörper 13 Spiel und ist mit einem Ventilteller 16 druckdicht verbunden,
der unter Zwischenschaltung eines elastischen Ventilsitzes 17 gegen die Unterseite
des Ventilkörpers 13 anliegt, wenn auf ihn ein größerer Überdruck als die Spannung
der Feder 8 einwirkt. Der Ventilkörper 13 besitzt radiale Bohrungen und ist unter
Zwischenlage einer Dichtung 19 gegen die Federkammer 7 mit Hilfe einer Membranhülse
20 gepreßt, die den Ventilteller 16 mit Spiel umschließt.
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Am unteren Ende der Membranhülse 20 ist eine Membran 21 eingelegt,
die an ihrem Rand mittels einer Membranverschraubung 22 und einer Ringmutter 23
eingespannt ist. An ihrem unteren Ende ist die Meßsonde mit Hilfe eines in das Gehäuse
1 eingeschraubten Fußstückes 24 verschlossen, das zugleich das Bodenstück 6 fest
in dem Gehäuse 1 einspannt. Das Fußstück 24 ist mit einem als Stoßdämpfer dienenden
elastischen Belag25 ausgestattet und besitzt radiale Bohrungen 26.
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In der Meßkammer 2 ist ein Rahmen27 untergebracht, der einen aus
einer Blattfeder bestehenden Spannbügel 28 mit einem Faltenbalg 29 aufnimmt.
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Der aus Metall bestehende Faltenbalg 29 ist in dem Rahmen 27 schwenkbar
gelagert und an ein Rohr 30 angeschlossen, das mit dem Inneren des das Uberdruckventil
enthaltenden Bodenstückes 6 über eine in diesem vorgesehene Bohrung 36 in Verbindung
steht. Das obere Ende des Spannbügels 28 wirkt über ein Isolierstück 31 auf den
Schleifkontakt 32 eines Potentiometers 33 ein. Ist der Faltenbalg 29 druckfrei,
so überwiegt die Spannkraft des Spannbügels 28, und der Kopf des Faltenbalges liegt
links gegen einen Anschlag an, und der Schleifkontakt des Potentiometers befindet
sich links.
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Erhält der Faltenbalg 29 Druck, so streckt er sich entgegen der Spannkraft
des Spannbügels 28, um sich bei Vollausschlag schließlich gegen den rechten Anschlag
anzulegen. Der Schleifkontakt 32 liegt dann an dem rechten Ende des Potentiometers
33. Das Potentiometer 33 ist in dem Halter 34 nach allen Seiten hin schwenkbar befestigt,
um den Auflagedruck des Schleifkontaktes 32 und die Anfangs- und Endwerte des Widerstandes
des Potentiometers 33 genau einstellen zu können. Die beiden Enden des Potentiometers
und der Schleifkontakt sind an die
drei Adern des Meßkabels 4 angeschlossen, das
durch die Kabelschelle 35 festgelegt ist.
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Bei der beschriebenen Ausführung ist die MeB-kammer 2 gegen außen
und gegen alle Teile des Druckmeßelementes abgedichtet. Sie ist mit einem trockenen
Gas, z. B. trockener Luft, gefüllt. Ebenso ist die Federkammer 7 gegenüber den übrigen
Teilen des Druckmeßelementes mit Hilfe der Membran abgedichtet und mit trockenem
Gas gefüllt. Alle übrigen Teile des Druckmeßelementes einschließlich des Überdruckventils
sind mit einer Druckflüssigkeit gefüllt, die vorzugsweise geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat und z. B. aus Glyzerin besteht.
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Diese Füllung ist durch die Membran 21 abgeschlossen. Die Unterseite
der Membran 21 ist dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzt, der sich aus der Umgebung der
Sonde durch die untere Öffnung und die Bohrungen 26 in ihr Inneres fortpflanzt.
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Die Meßsonde nach der Erfindung arbeitet in folgender Weise: In der
atmosphärischen Luft wirkt auf die Unterseite der Membran 21 kein Überdruck ein.
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Der Druck der Feder 8 auf den Ventilschaft 10 überwiegt, und der Ventilteller
16 ist mit seinem elastischen Ventilsitzl7 von der Unterseite des Ventilkörpers
13 abgehoben. Die Druckübertragungsflüssigkeit innerhalb der Membranhülse 20 steht
mit dem Faltenbalg 29 unbehindert in Verbindung, und zwar durch den Spalt zwischen
Ventilteller 16 und 17 und Membranhülse 20, durch das Spiel des Ventilschaftes 10
in dem Ventilkörper 13, durch die Bohrungen und das Spiel der Federkammer 7 in dem
Bodenstück 6 und durch die Bohrung36 sowie das hieran angeschlossene Rohr 30. Der
Faltenbalg29 wird durch den vorgespannten Spannbügel 28 in seiner linken Lage gegen
den linken Anschlag gedrückt, und der Schleifkontakt 32 steht auf der linken Seite
des Potentiometers 33. Infolgedessen ist die zwischen dem Schleifkontakt 32 und
dem linken Ende des Potentiometers 33 abgegriffene Meßspannung in bekannter Weise
Null.
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Wird jetzt die Sonde in ein Bohrloch eingelassen, wird sich von dem
Punkt an, in dem die Sonde in Flüssigkeit eintaucht, ein steigender Überdruck auf
der Unterseite der Membran 21 bemerkbar machen.
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Der Druck wirkt über die Membran 21 auf die Druckübertragungsflüssigkeit,
und der Spannbügel 28 mit dem Faltenbalg 29 bewegt sich nach rechts.
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Es wird zwischen dem Schleifkontakt32 und dem linken Ende des Potentiometers
33 eine zunehmend größere Meßspannung abgegriffen, die von einer an sich bekannten,
nicht näher beschriebenen elektrischen Meßanordnung angezeigt oder einer Schaltvorrichtung
für den Antriebsmotor der Förderpumpe zugeleitet wird.
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Beträgt der Meßbereich des Druckelements beispielsweise 200 m entsprechend
einem Druck von 20 atü und spricht das Überdruckventil bei 150m entsprechend 15
atü an, so wird der von der elektrischen Meßanordnung angezeigte Wert bis auf 150
m ansteigen. Bei diesem Wert schließt das tSberdruckventil, indem sich der Ventilteller
16 mit seinem elastischen Ventilsitz 17 auf die Unterseite des Ventilkörpers 13
setzt und eine weitere Drucksteigerung nicht mehr auf den Faltenbalg einwirken läßt.
Je tiefer die Sonde in das Bohrloch abgesenkt wird, um so fester schließt der Ventilteller
und um so sicherer hält er jede Drucksteigerung von dem Faltenbalg 29 fern. Indessen
steigt erfahrungsgemäß mit zunehmender
Tiefe die Temperatur in
dem Bohrloch, und die Druckübertragungsflüssigkeit in dem Faltenbalg 29 dehnt sich
infolge Erwärmung ebenso aus wie innerhalb der Membranhülse 20. Die Ausdehnung der
Druckübertragungsflüssigkeit innerhalb der Membranhülse 20 findet ihren Ausgleich
durch ein Zurückdrücken der Membran 21, die selbst spannungsfrei ist.
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Die Ausdehnung der Druckübertragungsflüssigkeit in dem Faltenbalg
29 infolge Temperaturzunahme wird auf folgende Weise ausgeglichen: Mit steigendem
Überdruck wird der Ventilteller 16 immer stärker auf den elastischen Ventilsitz
17 gedrückt, und der Ventilschaft 10 mit seinem Kolben wird weiter angehoben. Dadurch
wird von dem Kolben die Ausdehnungskammer gebildet, und diese Vergrößerung ist so
bemessen, daß sie die Volumenzunahme der Druckübertragungsflüssigkeit infolge Erwärmung
aufnimmt.
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Ist die Sonde vollständig in das Bohrloch eingebracht, so beginnt
die Pumparbeit, und der Flüssigkeitsspiegel in dem Bohrloch sinkt. Unterschreitet
der Flüssigkeitsspiegel - bezogen auf die Lage der Sonde - z. B. 150 m, so öffnet
sich das tSberdruckventil, und Meßwerte unter 150 m werden jetzt richtig angezeigt,
und zwar unter voller Ausnutzung des ganzen Meßbereichs. Benutzt man die Meßwertanzeige
zum Steuern einer bestimmten Flüssigkeitshöhe in dem Bohrloch, so wird in diesem
Meßbereich die Anzeige und die Funktion der Sonde in der üblichen Weise verlaufen,
d. h., bei zu starkem Absinken des Druckes wird die Pumpe abgeschaltet, bei entsprechendem
Ansteigen wird sie eingeschaltet.
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Fällt aber beispielsweise die Pumpe längere Zeit aus und nimmt infolgedessen
der Flüssigkeitsspiegel eine Höhe von mehr als 150 m über der Sonde ein, so schließt
sich das t Überdruckventil, und höhere Drücke werden von dem Druckmeßelement ferngehalten.
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Von besonderem Vorteil ist es noch, daß als Druckmeßelement ein durch
die Blattfeder28 vorgespannter Faltenbalg29 verwendet wird, der sich bei Druckbeaufschlagung
entgegen der Vorspannung der Feder 28 bewegt. Ein solches Druckmeßelement hat gegenüber
den bekannten normalen Bourdon-Rohren den Vorteil einer großen Unempfindlichkeit
gegen Stöße und Überlastungen. Diese Stoßunempfindlichkeit ist beim Einbau der Meßsonde
wichtig, da beim Absenken erhebliche Stoßbeanspruchungen durch Aufsetzen auf Flansche,
Muffen u. dgl. eintreten können, besonders beim Absenken der Meßsonde in Bohrlöcher
von großer Tiefe. Auch entwickelt der durch die Blattfeder 28 vorgespannte Faltenbalg
29 wesentlich größere Kräfte als die üb-
lichen Bourdon-Rohre, so daß der Auflagedruck
des Schleifkontaktes 32 auf dem Widerstand des Potentiometers 33 größer gewählt
werden kann, wodurch auch die Betriebssicherheit wesentlich erhöht wird.
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Auch hat dieser Faltenbalg mit Feder eine kleinere Hysteresis als
die normalen Bourdon-Rohre, die in dem zur Verfügung stehenden engen Raum nur schwer
unterzubringen sind, während dies bei dem länglichen Faltenbalg mit geringem Durchmesser
ohne Schwierigkeiten möglich ist. So hat beispielsweise der Faltenbalg 29 einen
Durchmesser von 9 bis 12 mm und eine Länge von etwa 25 bis 30 mm, läßt sich also
ohne Schwierigkeiten auch bei engen Raumverhältnissen einbauen.