DE69626633T2 - Durchflussmesser - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchflußmesser, der zum Auffinden von Strömungen enthaltenden Bereichen in einem in Gestein gebohrten Loch konzipiert ist.
• Beim Durchsuchen von Gestein mittels Messungen in tiefen Bohrlöchern stellt die Langsamkeit der Messungen ein ernsthaftes Problem dar. Wird nur die vertikale Strömung auf einer gegebenen Tiefe in einem Loch gemessen, liefert dies so gut wie keine Informationen über Risse auf anderen Tiefen im Gestein oder über die Größe und Richtung von in diesen fließenden Strömungen. Andererseits ist es in Löchern mit großer Länge, die auf Tiefen von bis zu Tausenden Metern gehen können, eine sehr langsame Angelegenheit, beispielsweise in Abschnitten von einigen wenigen hundert Metern über die gesamte Länge des Loches präzise Messungen zu erstellen, um die Durchflußraten und -richtungen für den Abschnitt zu erhalten.
• Da das Bohrloch lange Strecken von massivem Gestein ohne jegliche Spalten oder Strömungen enthalten kann, ist es die Aufgabe der Erfindung, einen neuartigen Typ von Durchflußmesser zu schaffen, der es ermöglicht, sogar tiefe Löcher abzusuchen und die Strömungen enthaltenden Bereiche für eine weitere und eingehendere Erforschung zu lokalisieren.
• Hinsichtlich der die Erfindung kennzeichnenden Merkmale wird auf die Patentansprüche verwiesen.
• Der erfindungsgemäße Durchflußmesser weist geeignete flexible und elastische Trennelemente auf, mit deren Hilfe der zu messende Abschnitt im wesentlichen druckdicht vom Loch abgetrennt wird. Mit anderen Worten, die Trennelemente sind aus einem elastischen Werkstoff gefertigt, der gegen die Oberflächen des zu messenden Loches gedrückt wird, so daß sie ohne irgendwelche aufblasbare oder aufweitbare Strukturen, die mittels eines Druckmediums betätigt werden, in dichtende Anlage gegen das Loch gedrückt werden. Des weiteren ist der Durchflußmesser mit einem offenen Fließkanal versehen, welcher eine freie Durchflußverbindung an dem durch die Trennelemente begrenzten Meßabschnitt vorbei bildet, so daß in anderen Teilen des Loches auftretende Strömungen keinerlei Druckunterschiede gegen die Trennelemente erzeugen, und diese mit einem relativ schwachen Druck den abzusuchenden Lochabschnitt auf ausreichende Weise abdichten. Darüber hinaus weist der Durchflußmesser einen Meßkanal auf, welcher vom Meßabschnitt zu einem außerhalb davon gelegenen Punkt führt und mit Meßinstrumenten versehen ist, mit deren Hilfe der Durchfluß insgesamt von in den Abschnitt hinein- und aus diesem herausfließenden Strömungen gemessen werden kann.
• Die verwendeten flexiblen und elastischen Trennelemente sind platten- oder ringförmige Gummi- oder Plastikscheiben mit einem freien Außendurchmesser, der etwas größer als der Durchmesser des zu durchsuchenden Loches ist. Des weiteren besitzen die Gummi- oder Plastikscheiben in einem unmittelbar in einer Radialrichtung gemessenen Loch eine etwas aufwärts gedrehte oder gekrümmte Form, welche infolge des Eigengewichts des Durchflußmessers sein leichtes Absenken in das Loch hinunter ermöglicht. Auf der Messungstiefe wird der Durchflußmesser eine geringe Strecke zurück nach oben gezogen, was die Scheiben veranlaßt, sich in eine andere Lage zu verwerfen. In diesem Zustand drückt die Innenspannung des Trennelements dieses gegen die Lochoberfläche und erhöht dadurch seine Dichtwirkung.
• Die als Trennelemente fungierenden erfindungsgemäßen Gummischeiben können keinem sehr hohen Druck widerstehen. Andererseits ist das Druckniveau im Meßabschnitt bei dieser Messungsart das gleiche wie im Rest des Loches, so daß kein Bedarf nach einer hohen Druckdichtigkeit besteht. Um jedoch Dichtigkeit zu gewährleisten, bestehen beide Trennelemente aus mehreren, z. B. drei aufeinanderfolgenden Gummischeiben. Der Prototyp des erfindungsgemäßen Durchflußmessers wurde unter Verwendung von drei Gummischeiben ausgeführt, welche dem Druck einer Wassersäule von 1,5 m widerstehen können und somit unter allen relevanten Messungsbedingungen eine ausreichende Dichtigkeit zur Verfügung stellen.
• Insbesondere beim Absuchen von relativ großen und geneigten Löchern kann das Eigengewicht des Durchflußmesser die Gummischeiben auf eine Seite hin drücken, was dazu führt, daß die Abdichtung auf der anderen Seite undicht wird. Bei solchen Anwendungen ist es vorzuziehen, separate scheibenförmige, stopfenförmige oder andere ähnliche Zentrierelemente zu verwenden, die dadurch, daß sie einen dem Durchmesser des Loches nahezu gleichen Durchmesser besitzen, eine erhebliche radiale Verlagerung des Durchflußmessers im Loch verhindern.
• Die Meßgerätschaft umfaßt vorzugsweise eine geeignete Impulsquelle und Sensoren zum Messen der Richtung und Geschwindigkeit des von der Impulsquelle übertragenen Impulses.
• Die Länge des von dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser zu messenden Bohrlochabschnitts ist vorzugsweise frei einstellbar. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von geeigneten Verlängerungselementen erreicht werden, von denen eine beliebige Anzahl zwischen den Trennelementen angebracht werden kann. Auf diese Weise kann die Länge eines jeweils zu messenden Lochabschnittes beispielsweise von einem Meter bis zu mehr als zehn Meter variieren. Somit kann das Loch zuerst in sehr langen Abschnitten abgesucht werden, woraufhin die Strömungen enthaltenden Abschnitte in kürzeren Abschnitten überprüft werden können. Lochabschnitte, welche langsamere und genauere Durchflußmessungen unter Verwendung präziserer Gerätschaft erfordern, können daher mit einer Genauigkeit von z. B. einem Meter lokalisiert werden.
• Es ist weiterhin möglich, den Durchflußmesser unter Verwendung eines teleskopischen Aufbaus im Meßgerätkörper zwischen den Trennelementen auszuführen, um eine Einstellung seiner Länge zu ermöglichen.
• Der erfindungsgemäße Durchflußmesser besitzt gegenüber Technologien des Standes der Technik bedeutsame Vorteile. Der Durchflußmesser ermöglicht eine sehr schnelle Messung von Löchern mit Längen von mehreren Kilometern, so daß es ermöglicht wird, Strömungen enthaltende Lochabschnitte zu lokalisieren, welche daraufhin unter Verwendung anderer Gerätschaft eingehender untersucht werden. Somit ist die Zeit, die zum Messen und Untersuchen eines einzigen Loches erforderlich ist, gegenüber dem Stand der Technik von Monaten auf ein paar Tage reduziert.
• Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, welche ein Diagramm zeigt, das einen von der Erfindung zur Verfügung gestellten Durchflußmesser darstellt.
• Der erfindungsgemäße Durchflußmesser, wie er in der Zeichnung dargestellt ist, weist eine offene Röhre 7 mit drei ringförmigen, elastischen Trennelementen 1 an jedem Ende auf, welche zwischen sich einen Meßabschnitt 3 in dem Loch 2 bilden. Die Röhre 7 bildet einen offenen Fließkanal 4 an dem Meßabschnitt 3 vorbei, der von den Trennelementen 1 im Loch begrenzt wird.
• Die Trennelemente 1 sind elastische und flexible Gummiflansche, die geringfügig von der Radialrichtung des Loches abweichen und sich schräg nach oben erstrecken. Ihre Größe ist so gewählt, daß sie durch ihre Elastizität veranlaßt werden, gegen die runde Oberfläche des Loches zu drücken; anders ausgedrückt, ihr freier Außendurchmesser ist etwas größer als der Lochdurchmesser.
• Die Röhre 7 zwischen den Trennelementen 1 ist mit zwei Blenden 8 versehen, die jedoch nicht mit dem offenen Strömungskanal 4 kommunizieren, sondern den Anfangspunkt eines Meßkanals 5 bilden, der sich im Inneren der Röhre 7 bis zu Meßgerätschaft 6 hin erstreckt und durch diese Gerätschaft hindurch in den Lochabschnitt über dem Durchflußmesser mündet.
• Die Meßgerätschaft 6 weist eine im Meßkanal angeordnete Impulsquelle 10 auf, sowie beidseitig von dieser angeordnete Sensoren 11, welche eine Messung des von der Impulsquelle ausgesandten Impulses, d. h. der Geschwindigkeit und Richtung des Impulses, ermöglichen.
• Des weiteren ist der Durchflußmesser mit einem Förder- und Steuerkabel 9 versehen, mit dessen Hilfe der Durchflußmesser in dem zu messenden Loch beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten Winde angehoben und abgesenkt werden kann, und durch das die von der Meßgerätschaft 6 erhaltene Meßinformation an ein geeignetes, oberirdisch angeordnetes Verarbeitungsgerät übertragen wird.
• Der Durchflußmesser wird folgendermaßen verwendet. Der am Förder- und Steuerkabel 9 aufgehängte Durchflußmesser wird bis zu einer gewünschten Meßtiefe in das zu messende Loch hinabgelassen. Auf dieser Tiefe wird der Durchflußmesser eine kurze Strecke (ein paar Zentimeter) hochgezogen, was dazu führt, daß die plattenförmigen Trennelemente in dichtende Anlage gegen die Lochoberfläche gedrückt werden. Auf diese Weise ist ein zu messender Abschnitt 3 mit ausreichender Dichtigkeit vom Loch abgetrennt. Um sicherzustellen, daß die Trennelemente nicht von Strömungen und Druckunterschieden außerhalb des Meßabschnitts 3 beeinträchtigt werden, stellt die Röhre 7 einen freien Durchflußweg (Pfeile A) für Außenströmungen am Meßabschnitt 3 vorbei zur Verfügung.
• Falls das Gestein 12 innerhalb des mit dem Meßabschnitt 3 zusammenfallenden Bereichs irgendwelche Spalten 13 mit Strömungen darin (Pfeile B) aufweist, können diese Strömungen einen Durchfluß durch die Blenden 8 in den Meßkanal 5 und durch diesen hindurch (Pfeil C) weiter außerhalb des Durchflußmessers hervorrufen.
• Die Durchflußraten im Meßkanal 5 können starke Variationen aufweisen, weshalb die Durchflußmessung mittels zweier Verfahren vorgenommen wird. Zuerst wird die Durchflußmessung mit einem Impulsverfahren begonnen, bei dem das Wasser vorübergehend mit Hilfe eines Heizthermistors 10 erwärmt und die Bewegung des von ihm erzeugten Wärmeimpulses im Wasser mit Hilfe von Sensoren 11 überwacht wird, welche beidseitig vom Heizthermistor im Abstand von diesem angeordnet sind. Da die Querschnittsfläche des Meßkanals 5 bekannt ist, werden sowohl die Größe als auch die Richtung des Durchflusses mit diesem Verfahren ermittelt. Dieses Verfahren kann dazu verwendet werden, Strömungen mit Durchflußraten zu messen, die von einigen wenigen Millilitern bis hin zu dreitausend Millilitern pro Stunde variieren.
• Über der oben genannten Obergrenze nimmt die Divergenz der Meßresultate zu, und der Durchfluß wird unter Verwendung eines Kühlverfahrens bestimmt. Beim Kühlverfahren wird der Heizthermistor 10 erwärmt, woraufhin seine Abkühlung überwacht wird, da die Abkühlung umso schneller vor sich geht, je höher die Durchflußrate ist. Durch die Anwendung des Kühlverfahrens war es möglich, den Meßbereich auf 60.000 ml/h und mehr zu erweitern.
• Nach Beendigung der Messungen an einem gegebenen Abschnitt kann der Durchflußmesser leicht an den nächsten Ort bewegt, angehoben oder abgesenkt werden, und Messungen können somit abschnittsweise über die gesamte Länge des Bohrloches fortgeführt werden.
• Zusätzlich weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Pumpe auf, um den Wasserpegel in dem zu messenden Loch auf einer konstanten Höhe zu halten. Dies kann durch die Verwendung einer langen Ausgleichsröhre bewerkstelligt werden, deren unteres Ende verschlossen ist, während das obere Ende offen ist. Bei dieser Lösung wird das Pumpen des Wassers von innerhalb der Röhre bewerkstelligt, während das Wasser im Loch in die Ausgleichsröhre fließt, die auf einer konstanten Höhe angeordnet ist. Der Wasserpegel innerhalb der Röhre variiert, bleibt aber im Loch auf einer konstanten Höhe, d. h. auf dem Pegel des oberen Endes der Röhre.
• Die Vorrichtung kann des weiteren eine Pumpe aufweisen, um Wasser in das Loch einzupumpen, während das Förder- und Steuerkabel hochgezogen wird. Hierdurch wird verhindert, daß der Wasserpegel infolge des Hochziehens des Kabels absinkt. Auf diese Weise können die Pumpen dazu verwendet werden, die Druckbedingungen während des gesamten Meßvorgangs möglichst konstant zuhalten.
• Die Einzelheiten der Verwendung des Durchflußmessers und der Verarbeitung der Daten sind auf diesem Fachgebiet an sich bekannt, so daß sie vorliegend nicht im Detail erläutert werden. Sie können verallgemeinernd dahingehend zusammengefaßt werden, daß die eigentlichen Meßprogramme in einem Meßcomputer enthalten sind, der Steuerbefehle an einen Prozessor im Durchflußmesser sendet und vom Prozessor Meßergebnisse empfängt. Die Meßergebnisse werden den jeweils erforderlichen Konvertierungen unterzogen, auf einem Anzeigeschirm dargestellt, und in Dateien abgespeichert. Darüber hinaus liest der Meßcomputer die Druckdaten (Luftdruck und Grundwasserspiegel) ein, steuert die Schlauchpumpe, liest die Impulse eines Kabelzählers ein, und hält die Winde basierend auf den Kabelzählerimpulsen an. Die Meßprogramme des Prozessors sind im Programmspeicher des Durchflußmessers gespeichert. Diese Programme werden dazu verwendet, den Meßtakt, die Wahl der Meßkanäle, die Steuerung der Analog-/Digitalwandlung und das Senden der Meßergebnisse an oberirdische Gerätschaft zu besorgen.
• Die Erfindung wurde vorstehend mit Hilfe der beigefügten Zeichnung ausführlich beschrieben, jedoch sind unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung im Rahmen des durch die Patentansprüche abgegrenzten Grundgedankens der Erfindung möglich.

Claims (7)

1. Durchflußmesser zum Lokalisieren von Strömungen enthaltenden Zonen in einem in Gestein erstellten Bohrloch, wobei der Durchflußmesser aufweist:

- flexible und elastische, plattenförmige Trennelemente (1) aus Gummi oder Plastik zum im wesentlichen druckdichten Abtrennen eines Meßabschnitts (3) in dem Loch vom Rest des Loches,

- einen offenen Fließkanal (4), welcher eine freie Durchflußverbindung zwischen den Lochabschnitten auf entgegengesetzten Seiten des Durchflußmessers vorbei an dem Meßabschnitt bildet,

- einen Meßkanal (5), welcher vom Meßabschnitt zu einem außerhalb davon gelegenen Punkt führt, zusammen mit Meßgerätschaft (6) zum Messen der Größe und Richtung eines Durchflusses zwischen dem Meßabschnitt und dem außerhalb davon befindlichen Lochabschnitt,

dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Trennelemente (1) eine nach oben gewendete bzw. gekrümmte Formgebung mit einem freien Außendurchmesser aufweisen, der etwas größer als der Lochdurchmesser ist, so daß eine Eigenspannung der Trennelemente diese in dichtende Anlage an das Loch drückt, wenn der Durchflußmesser auf der Meßtiefe über eine kurze Strecke nach oben gezogen wird.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trennelement mindestens zwei, vorzugsweise drei aufeinander angeordnete Gummischeiben (1) aufweist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgerätschaft (6) eine Impulsquelle (10) und Sensoren (11) zum Messen der Richtung und Geschwindigkeit eines von der Impulsquelle ausgesandten Impulses aufweist.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Durchflußmessers zwischen den Trennelementen (1) aus einer hohlen Röhre (7) besteht, die als Fließkanal (4) wirkt.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (7) mit einer Blende (8) zwischen den Trennelementen (1) versehen ist, wobei von dieser Blende aus die Meßröhre beginnt, die sich im Inneren der Röhre bis zur Meßgerätschaft (6) auf der anderen Seite des Trennelements erstreckt.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußmesser mit Einstellelementen zum Einstellen des Abstands zwischen den Trennelementen (1), d. h. der Länge des Lochabschnitts, an dem eine Messung vorgenommen werden soll, versehen ist.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußmesser über ein Förder- und Steuerkabel (9) mit einer Fördereinrichtung und einer Meßdaten-Verarbeitungsvorrichtung außerhalb des Loches verbunden ist.