DE2852575A1

DE2852575A1 - System und verfahren zur aufzeichnung bzw. protokollierung von daten, die beim bohren in der erde gewonnen werden

Info

Publication number: DE2852575A1
Application number: DE19782852575
Authority: DE
Inventors: Serge Alexander Scherbatskoy
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-12-05
Publication date: 1979-06-07
Also published as: NL187454C; FR2410726B1; MY8500863A; MX147050A; AU1433783A; CA1124228A; NO168546B; NO783996L; GB2009473B; SU1243633A3; NL7811317A; FR2410726A1; NO844240L; GB2009473A; NO151907C; DE2852575C2; NO151907B; AU4134478A; NO168546C; NL187454B

Description

DIPL. ING. HEINZ BARDEHLE DIPL. CHEM. DR. PETER FÜRNISS

PATENTANWÄLTE

Aktenzeichen: Anmelder:

Serge A. Scherbatskoy Fort Worth 76116, Texas USA

München, 5.12.78

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Unser Zeichen:

2770

System und Verfahren zur Aufzeichnung bzw„ Protokollierung von Daten, die "beim Bohren in der Erde gewonnen werden

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Kanzlei: Herrnstraße 15, München 22

Beschreibung

Die Erfindung,bezieht"sich generell auf eine Anordnung zur Aufzeichnung bzw. Protokollierung von Informationen im Zuge der Durchführung von Bohrungen sowie auf Systeme und Verfahren zur Durchführung derartiger Maßnahmen und insbesondere auf Systeme, Anordnungen und Verfahren, gemäß denen das Inschwingungversetzen von Schlamm bzw. Schlick für telemetrische Zwecke ausgenutzt wird, um für einen oder mehrere Tiefloch-Parameter der Erdoberfläche charakteristische Signale abzugeben bzw. zu übertragen.

Es sind bereits viele Versuche unternommen worden, um erfolgreiche Aufzeichnungs- bzw» Protokollierungssysteme für bzw. bei der Ausführung von Bohrungen zu entwickeln, wie dies aus folgenden US-Patentschriften hervorgeht: US-PS 2-09-6 279 - betreffend ein System, gemäß dem elektrische Leiter innerhalb des Bohrrohres benutzt werden; US-PS 3 825 078 - danach ist ein System vorgeschlagen, bei dem erweiterungsfähige Schleifen aus Draht innerhalb des Bohrrohres verwendet werden; US-PS 2 354 857 - danach ist ein System vorgeschlagen, gemäß dem eine induktive Koppelung einer Spule oder von Spulen mit einem Bohrrohr nahe des Bohrmeißels ausgenutzt wird, wobei das induzierte elektrische Potential an der Erdoberfläche gemessen wird; US-PS 2 787 759 sowie US-PS 3 488 629 - danach sind Systeme vorgeschlagen, gemäß denen durch impulsweise Beschränkungen auf die Bohrungs-Schlickströmung Druckimpulssignale an der Erdoberfläche erzeugt werden; als weitere US-Patentschriften sind die US-Patentschriften 3 186 222, 3 315 224, 3 408 561," 3 732 728, 3 737 845, 3 949 354 und 4 001 774 zu nennen.

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der
Jeder/durch die vorstehend erwähnten US-Patentschriften gemachten Vorschläge hat gewisse Nachteile mit einer solchen ausreichenden Konsequenz zur Folge gehabt, daß die kommerzielle Einführung der betreffenden Vorschläge verhindert worden ist. So bringt die Schwierigkeit und der Zeitaufwand in Verbindung mit der großen Anzahl von Anschlüssen und Verbindungen der elektrischen Leiter einen erheblichen Nachteil in Systemen mit sich, wie sie in der US-PS 2 096 279 angegeben worden sind. Obwohl ein eine induzierte elektrische Spannung ausnutzendes System, wie es in der US-PS 2 354 887 angegeben worden ist, als ein System betrachtet werden kann, welches innerhalb einer kurzen Entfernung betreibbar ist, verhindert jedoch das Signal-Störungs-Verhältnis eines derartigen Systems den Einsatz dieses Systems aus einem praktischen Grunde in Tiefbohrlöchern«,

Als das moderne Strahlbohrsystem üblich wurde und große Mengen an Schlamm bzw. Schlick auftraten und hohe Schlamm- bzw. Schlickdrucke ausgeübt wurden, zeigte sich, daß Systeme, wie sie in der US-PS 2 787 759 angegeben sind, unzuverlässig waren und zu schneller Abnutzung bzw. Verschlechterung führten. Die Einführung einer gesteuerten Beschränkung in dem sehr leistungsstarken Schlickstrom war infolge der Forderung nach einer großen und leistungsstarken Vorrichtung und Betriebsweise nicht zufriedenstellend _}und zwar aufgrund der schnellen Abnutzung und der sehr hohen Energieanforderungen.

Der Bereich am Boden eines Bohrloches ist während des Bohrens als feindlich zu betrachten. Die Bohrschneiden- und Bohrlochöffnungs-Schwingungen können in der Größenordnung von 50 g liegen. Die Temperatur liegt zuweilen bei 204°C. Der Druck am unteren Bohrloch kann einen Weit oberhalb von etwa 1054 at (entsprechend

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15000 psi) besitzen. Das durch die Bohrlochränder und durch die Bohrmeißel hindurchströmende Bohrungsfluid ruft eine starke Abnutzung hervor. Mit der derzeit ver wendeten Bohranordnung mit verbesserten Bohrmeißeln kann eine ununterbrochene Bohrzeit mit einem bestimmten Bohrmeißel in der Größenordnung von 100 bis 300 Stunden oder eine zuweilen noch längere Bohrzeit erreicht werden, bevor es erforderlich wird, den Bohrmeißel auszuwechseln. Demgemäß muß eine nahe des Bohrmeißels angeordnete, den Zustand der Bohrlochformation ermittelnde und ein Signal übertragende Einheit imstande sein, ohne eine Pflege bzw. Bedienung während langer Zeitspannen betrieben werden zu können, ohne daß eine Einstellung erforderlich ist. Diese Einheit muß mit einer ständig arbeitenden elektrischen Speisespannungsquelle betrieben werden können,, Außerdem muß die Signalübertragungsanordnung imstande sein, ein ständig ausnutzbares Signal oder Signale zur Erdoberfläche hin übertragen zu können, nachdem jedes zusätzliche Verbindungsstück des Bohrrohres in geeig-n^ber Weise dem Bohrstrang hinzugefügt ist, wenn das gebohrte Loch eine zunehmende Tiefe erreicht.

Generell werden Systeme mit einer impulsweisenBeanspruchung des Schlicks für telemetrische Zwecks als höchst praktisch angesehen, da die Bohroperation am wenigstens gestört bzw. unterbrochen wird. Derzeit ist die Zuverlässigkeit, die mit derartigen Systemen erreicht worden ist, jedoch nicht zufriedenstellend. Die bisher benutzten Verfahren, wie sie in den oben erwähnten US-Patentschriften 2 787 259 und 3 488 629 angegeben worden sind, nutzen die Einführung einer gesteuerten bzw. regulierten Einschränkung innerhalb des Schlick-Strömungskreises aus. Wenn der Schlick-Druck einen Wert von 600 gpm überschreitet und wenn die Pumpendrucke einen Wert von etwa 210 at (ent-

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sprechend 3000 psi) überschreiten, dann wird die Steuerung dieser erheblichen Energie durch Verändern einer Beschränkung zur Erzeugung von telemetrischen Signalen jedoch kompliziert und erfordert eine leistungsfähige Tiefloch-Maschinenanlage.

Der Erfindung liegt demgemäß die generelle Aufgabe zugrunde, ein erfolgreiches Aufzeichnungs- bzw. Protokollierungssystem für die Durchführung von Bohrungen des Typs zu schaffen, gemäß dem Schlick-Schwingungen für telemetrische Zwecke ausgenutzt werden, um an die Erdoberfläche Signale zu übertragen, die kennzeichnend sind für einen oder mehrere Bohrloch-Parameter.

Darüber hinaus ist ein solches System zu schaffen, bei dem der Energiebedarf erheblich herabgesetzt ist, der zur Erzeugung eines starken Druckimpulses bei einem Werkzeug erforderlich ist, welches nahe des Bohrmeißels vorhanden ist.

Darüber hinaus soll eine vorhandene starke Energiequelle für die Erzeugung von Schlick-Schwingungen ausgenutzt werden können.

Überdies sollen ein zufriedenstellender Ventilmechanismus und eine zufriedenstellende Ventilanordnung bereitgestellt werden, um im Zuge der Erzeugung von Schlick-Schwingungen verwendet werden zu können.

Ferner soll eine geeignete, unabhängige elektrische Bohrloch-Versorgungsspannungsquelle bereitgestellt werden, um für die Betätigung des zuvor erwähnten Ventilmechanismus verwendet werden zu können.

Schließlich ist eine wirksame Einrichtung bereitzustellen, durch die die Auswirkungen von störenden

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Schlick-Impulssignalen (StörSignalen) an bzw. in der Oberflächen-Anordnung weitgehend beseitigt sind.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung,

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehänd beispielsweise näher erläutert»

Figo 1 zeigt schematisch eine herkömmliche Rotations-Bohranlage unter Veranschaulichung der Verwendung einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung» Fig. 2A zeigt schematisch den Aufbau eines Schlick-Unterdruck-Impulsgenerators mit einem in der geöffneten Stellung befindlichen Ventil.

Fig. 2B zeigt schematisch den in Fig«, 2A dargestellten Schlick-Unterdruck-Impulsgenerator bei in der geschlossenen Stellung befindlichem Ventil. Fig. 3A zeigt schematisch eine physikalische Ausführungsform des Schlick-Unterdruck-Impulsgenerators gemäß Fig. 2A und 2B zusammen mit Instrumenten- und Fühlerbereichen innerhalb eines Bohrstranges nahe des Bohrmeißels.

Fig. 3B veranschaulicht den in.Fig· 2A und 2B dargestellten Schliek-Unterdruck-Impulsgenerator in proportionalen Abmessungen von einer Bearbeitungsanordnung her, die bei der tatsächlichen Herstellung der Anordnung verwendet wird.

Fig. 3C veranschaulicht in einem Diagramm einen Radioaktivitäts-Fühler und die zugehörige Instrumentierung. Fig. 3D zeigt schematisch einen Temperatur-Fühler und die zugehörige Instrumentierung.

Fig. 3E zeigt schematisch eine typische Instrumentierung für eine Steuerungs-Betätigungseinrichtung eines Ventils eines Schliek-Unterdruck-Impulsgenerators. Fig. 3F zeigt schematisch den Aufbau einer verwendbaren in sich abgeschlossenen Bohrloch-Speisespannungsquelle.

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Fig. 3Gr zeigt schematisch den Aufbau einer weiteren Art einer verwendbaren, in sich abgeschlossenen Bohrloch-Speise Spannungsquelle.

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer typischen oberirdischen Anlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Bohrloch-Parameter durch Radioaktivität ermittelt wirdo Fig. 5 veranschaulicht in einem Signal- und Impulsdiagramm in idealisierter Form den Verlauf von bestimmten Signalen bzw. Impulsen und die zeitlichen Beziehungen, um die Erläuterung eines Signalgewinnungsteils der in Fig. 4 dargestellten Anordnung zu unterstützen.

Fig. 6 zeigt in einem Blockdiagramm weitere Einzelheiten einer Komponente einer in Fig. 4 dargestellten Signal-gewinnungs schaltung.

Fig. 7 veranschaulicht in weiteren Einzelheiten eine Komponente der in Fig. 4 dargestellten Signalgewinnungs schaltung.

Fig. 8 zeigt in einem Blockdiagramm eine weitere Ausführungsform der oberirdisch verwendbaren Anlage. Fig. 9 zeigt in einem Blockdiagramm eine . noch weitere Anordnung der oberirdisch verwendbaren Anlage. Fig. 10 zeigt in einem Blockdiagramm einen alternativ verwendbaren Zeitsisusrimpulsgenerator. Fig. 11 zeigt in einem Blockdiagramm eine noch weitere Ausführungsform einer oberirdisch verwendbaren Anlage.

Es wird angenommen, daß es vor Beginn der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dem Verständnis förderlich sein dürfte, wenn gewisse grundsätzliche Faktoren erläutert werden.

In einem Bohrloch mit einer Länge bzw. Tiefe von etwa 3000 m (entsprechend 10 000 Fuß) und einem !Durchmesser von etwa 114 mm (entsprechend 4, 1/2 Zoll) liegt das

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Schlamm- bzw. Sohlickvolumen innerhalb des Rohres in der Größenordnung von 18 925 1 (entsprechend 5000 Gallonen). Unter der Annahme, daß der Elastizitätsmodul der Masse bei komprimiertem Bohrschlick bei 400 000 liegt, ruft die Abführung von etwa 1,9 1 (entsprechend 0,5 Gallonen) einer Flüssigkeit einen Druckabfall von etwa 2,8 at (entsprechend 40 psi) hervor (sofern davon ausgegangen wird, daß das angegebene Volumen von 5000 Gallonen als in einem einfachen Behälter enthalten ist). Es kann daher angenommen werden, daß die Ableitung von Schlick nahe der Unterseite eines derartigen Bohrrohres mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,47 l/s (entsprechend 0,125 Gallonen/s) erfolgt und ein Signal entsprechend 0,7 at/s (entsprechend 10 psi/s) auf der Oberfläche hervorruft. Die Inderungsgeschwindigkeit des Drucks wird als -3? -Index bezeichnet, und in diesem Fall ist der ^r -Index gleich 10.

Drei wichtige Experimente wurden ausgeführt:

1. Es wurden Messungen in einem Testloch bei einer Tiefe von etwa 540 m (entsprechend 1800 Fuß) und bei mittleren Differenzdrucken von etwa 70 at (entsprechend 1000 psi) über einem Ventil an der Unterseite durchgeführt.

2. Es wurden Messungen in einem Ölfeld-Bohrloch in einer Tiefe von ca. 2400 m (entsprechend 8000 Fuß) bei geringen Differenzdrucken von etwa 28 at (entsprechend 400 psi) durchgeführt.

3. Es wurden Messungen in einem zweiten Ölfeld-Bohrloch in einer Tiefe von etwa 1500 m (ent sprechend 5000 Fuß) und hohen Differenzdrucken (112 at (entsprechend 1600 psi) durchgeführte

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Sämtliche drei Reihen von Experimenten haben gezeigt, daß der ^ -Index des an der Oberfläche aufgenommenen Druckimpulses für den Fall wesentlich höher als berechnet war, daß das Ventil plötzlich geöffnet wurde. Die Gründe hierfür sind, a) daß stark komprimierter Bohrschlick einen Elastizitätsmodul haben kann, der etwas höher ist als 400 000, b) daß eine gewisse Wellenleitwirkung durch das Bohrrohr vorhanden ist, wodurch das Signal veranlaßt wird, sich wesentlich günstiger auszubreiten als dies in einem großen Behälter mit demselben Volumen der Fall wäre, und c) daß das plötzliche Öffnen eines Ventils an der Bodenseite der Bohrung einen höheren ^ -Index hervorruft als im Falle des großen Behälters, und zwar wegen der Elastizität der darüber befindlichen Schlamm- bzw. Schlicksäule.

In einem typischen Bohrloch mit einer Tiefe von etwa 4500 m (entsprechend 15 000 Fuß), dessen unteres Ende verschlossen ist, würde ein Markierungszeichen, welches an der Oberseite der Schlamm- bzw. Schlicksäule angeordnet wird, einige 30 m (entsprechend einigen 110 Fuß) absinken, wenn ein Schlickpumpendruck von etwa 210 at (entsprechend 3000 psi) ausgeübt wird. Bei diesem Druck handelt es sich um einen verhältnismaßig/Schlickpumpendruck in Bohrrohren. Man kann daher die Schlicksäule als Säule betrachten, die fortwährend um einige 30 m (entsprechend 100 Fuß) zusammengedrückt wird und die als eine lange Feder wirkt, in der eine große Menge potentieller Energie gespeichert ist. Wenn ein Ventil an der Unterseite des Bohrrohres plötzlich geöffnet wird, wird diese potentielle Energie freigegeben, was zum Auftreten eines starken negativen Schlick-Druckimpulses führt. Ein derartiger Schlick-Druckimpuls ist dabei wesentlich größer als es der Fall wäre, wenn der Schlick inkompressibel wäre.

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Bei den innerhalb eines Bohrloches in einer Tiefe von etwa 1500 in (entsprechend 5000 Fuß) durchgeführten Experimenten wurde ein kleiner Durchgang (mit einer Fläche von ca. 0,36 cm (entsprechend 0,056 Quadratzoll) zwischen der Innenseite des Bohrungsrandes und dem Ringraumentsprechend einer gesteuerten Folge geöffnet und geschlossene Der Druck über dem Ventil betrug etwa 112 at (entsprechend 1600 psi), und die Abführung war mit etwa 0,95 l/s (entsprechend 0,25 Gallonen/Sekunde) berechnet«, Das Volumen des Schlicks innerhalb des Bohrrohres betrug etwa -94631 (entsprechend 2500 Gallonen) und für den Schlick wurde ein Elastizitätsmodul von 400 000^f angenommen. Der Druckabfall wurde mit etwa 2,8 at/sec (entsprechend 40 ρsi/ see) berechnet. (Dabei wurde auch hier von der Annahme ausgegangen, daß die Schlamm- bzw. Schlicksäule ein einzelner Behälter war). Bei den Untersuchungen wurde der Druckabfall an der Oberfläche mit über 7at/sec (entsprechend 100 psi/sec) oder mit noch wesentlich höheren Werten gemessen als durch die einfache Tank— bzw. Behälterberechnung erwartet wurde. Daraus wurde die folgende Schlußfolgerung gezogen! Das· Vorhandensein von hohen Drucken an dem Bohrmeißel (Werte von 70 at oder noch höhere Werte - entsprechend 1000 psi oder entsprechend höheren Werten) führt dazu, daß an der Oberfläche hohe schmale Signale dadurch gebildet werden können, daß ein sehr kleines Nebenwegventil an der Unterseite nahe des Bohrmeißels geöffnet und geschlossen wird. Ventile mit einer Öffnung von etwa 0,32 cm (entsprechend 0,05 Quadratzoll) können starke Signale aus einer Tiefe von etwa 1500 m (entsprechend 5000 Fuß) erzeugen. Dabei hat sich die Abnahme der Signalhöhe bei Tiefen zwischen ca. 750 m (entsprechend 2500 Fuß) und 1500 m (entsprechend 5000 Fuß) als sehr gering herausgestellt. Dadurch ist also angezeigt, daß die Signalbe-

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dämpfung gering ist.

Das System gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Anzahl von "bedeutenden Vorteilen auf: Die schnelle Ableitung mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,47 l/sec (entsprechend 0,125 Gallonen/sec) führt zur Erzeugung eines "scharfen" bzw. "schmalen" Impulses, d.h. eines Impulses, der eine hohe Druckänderungsgeschwindigkeit beeinhaltet, d.h. einen hohen -s¥ -Index (von beispiels-

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weise 40) besitzt,, Darüber hinaus wird durch das schnelle Öffnen des Nebenwegventils außerdem die Abnutzung aus folgenden Gründen herabgesetzt bzw. minimiert. Wenn das Nebenwegventil geschlossen ist, ist ganz offensichtlich keinerlei Abnutzung bezüglich des Ventilsitzes vorhanden. Wenn das Ventil geöffnet ist (und die Ventilfläche groß ist im Vergleich zu einer darauffolgenden Einschränkung bzw. darauffolgenden Einschränkungen), dann wird das Ventil dem mit einer geringen Geschwindigkeit auftretenden Fluid ausgesetzt, und demgemäß wird die Abnutzung im wesentlichen in der folgenden Einengung oder den folgenden Einengungen auftreten, die erweiterbar sein können und die aus einem vollkommen nicht erodierbaren Material, wie Bohrkarbid, bestehen können. Eine Abnutzung tritt in dem Nebenwegventil nur dann auf, wenn es in dem Prozeß des Öffnens oder Schließens einbezogen ist, d.h. dann, wenn das betreffende Ventil "umschlägt" und wenn die Geschwindigkeit durch den Ventilsitz dann sehr hoch ist. Der Ventilbetrieb sollte daher so schnell wie möglich für das Öffnen und Schließen abgewickelt werden. Dabei existiert keine Begrenzung hinsichtlich der erwünschten Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit der Ableitung durch das Ventil sollte ebenfalls hoch sein, wobei jedoch eine obere Grenze vorhanden ist, über der eine schnellere Ableitung bzw. Abführung keinen Nutzen mit sich bringt. Der Grund hierfür · liegt in der Grenze für eine hochfrequente Uber-

tragung durch den Schlick. Frequenzen oberhalb von etwa 100 Hz werden stark bedämpft und sind von geringem Wert hinsichtlich der Ausbildung eines schnellen Impulses an der Oberfläche. Um die maximale Ableitungsgeschwindigkeit zu bestimmen, war es erforderlich, Experimente " unter vollständigen Voraussetzungen durchzuführen, und zwar unter Verwendung von echten Ölbohrungsschichten und großen Längen herkömmlicher Bohrlöcher. Die experimentiellen Anordnungen enthielten ein spezielles großes Ventil, gefolgt von einer einstellbaren Durchgangsöffnung.

Das Ändern der Größe der Durchgangsöffnung kann die Strömungsgeschwindigkeit in Litern pro Sekunde bestimmen. Es wurde festgelegt, daß Strömungen über etwa 1,14 1 pro Sekunde (entsprechend 0,3 Gallonen pro Sekunde) eine geringe Steigerung in dem Signal hervorrufen« Es wurden sodann die Signale bei einer Tiefe von etwa 1504 m (entsprechend 5012 Fuß) bei Verwendung von drei unterschiedlichen Durchgangsöffnungsgrößen verglichen, die getestet wurden. Diese Größen entsprechen einem Durchmesser etwa 13 nun (entsprechend .0,509 Zoll), einem Durchmesser von etwa 11 mm (entsprechend 0,427 Zoll) und einem Durchmesser von etwa 6,8 mm (entsprechend 0,268 Zoll). Es wurde festgestellt, daß beim Durchmesser von 6,8 mm an der Oberfläche ein Signal erzeugt wurde, das nahezu so stark war wie ein Signal, das bei einem Öffnungsdurchmesser von etwa 13 nun erzeugt wurde.

Nunmehr sei auf Fig. 1 eingegangen, in der schematisch eine typische Bohranlage 10 dargestellt ist, die eine Schlick- bzw. Schlamm-Umwälzpumpe 12, welche mit einem Abgaberohr 14 verbunden ist, ein Standrohr 16, einen flexiblen Hochdruck-Drehschlauch 18, ein Drehgelenk 20

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und einen Bohrstrang 22 enthält, der aus dem üblichen Bohrrohr und Bohrhülsen sowie einem Bohrmeißel 26 vom Strahltyp besteht. Eine kurze Strecke oberhalb des Bohrmeißels 26 befindet sich innerhalb der Bohrhülse 24 ein einen negativen Schlammdruck er2eugender Impulsgenerator 28, und ferner ist an der betreffenden Stelle eine Fühl- und Instrumenteneinheit 30 vorgesehen.

Der einen negativen Schlammdruck erzeugende Impulsgenerator 28 besitzt einen speziellen Aufbau. Er erzeugt eine Reihe von programmierten Impulsen, deren jeder eine kurzzeitige Herabsetzung des Schlammdrucks umfaßt„ Gemäß einer Ausführungsform wird dies durch eine Einrichtung hervorgerufen, die ein Ventil enthält, welches kurzzeitig einen Durchgang zwischen der Innenseite und der Außenseite der Bohrhülse 24 öffnet. Dies bedeutet, daß das betreffende Ventil einen Durchgang zwischen der Innenseite der Bohrhülse 24 und dem Ringraum 29 steuert, der durch die Außenseite der Bohrhülse und dem Bohrloch gebildet ist.

Eine oberirdisch vorgesehene Anlage, die generell mit 32 bezeichnet ist, ist an einem Druckwandler 100 angeschlossen, der seinerseits mit dem Standrohr 16 verbunden ist. Alternativ dazu könnte der Wandler 100, sofern erforderlich, in dem feststehenden Teil des Drehgelenks 20 angebracht sein.

In Fig. 2A und 2B ist der einen negativen Schlammdruck herrufende Impulsgenerator 28 schematisch dargestellt, um die Erläuterung seiner Funktion und Arbeitsweise zu erleichtern. Der einen negativen Schlammdruck hervorrufende Impulsgenerator besteht aus einer Ventileinlaßkammer 42, einer Ventilauslaßkammer 44 und einer Kompensationskammer 72. Die Ventileinlaßkammer 42 ist über

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einen Einlaßdurchgang 38 mit der Innenseite der Bohrhülse 24 hydraulisch verbunden. Die Ventileinlaßkammer 42 ist außerdem über einen Durchgang 48 mit der Ventilauslaßkammer 44 hydraulisch verbunden. Die hydraulische Strömung durch den Durchgang 48 wird durch das Zusammenwirken eines Ventils 36 mit seinem Sitz 37 gesteuerte Die Ventilauslaßkammer 44 ist über einen Auslaßdurchgang 51 mit dem Ringraum 29 hydraulisch verbunden. In den Auslaßdurchgang 51 sind erste und zweite Kompensationsöffnungen 52, 53 eingefügt. Die Kammer 40 zwischen den Öffnungen 52 und 53 ist über eine Rohrleitung 74 mit der Kompensationskammer 72 hydraulisch verbunden» Die Einlaßkammer 42 ist über einen Zylinder 49 mit der auch als Ausgleichskammer zu betrachtenden Kompensationskammer 72 verbunden. Der betreffende Zylinder 49 weist einen Ausgleichskolben 50 auf, der über einen Schaft 46 mit dem Ventil 36 verbunden ist. Da₁S Ventil 36 ist außerdem mittels eines Schaftes 47 (siehe Pig". 3A und 3B) mit einer Betätigungseinrichtung 54 verbunden,,

Die Funktion und die Arbeitsweise des einen negativen Schlammdruck hervorrufenden Impulsgenerators 28 werden nunmehr erläutert. In Fig. 2B ist gezeigt, daß das Ventil 36 des einen negativen Schlammdruck hervorrufenden Impulsgenerators 28 sich im "geschlossenen" Zustand befindet. Dabei veranschaulicht diese Figur durch den gestrichelten Teil das Vorliegen eines "hohen" Drucks, und der weiß gebliebene Teil veranschaulicht einen "niedrigen" Druck. (Die Druckhöhen, wie "hoch", "niedrig¹¹ und "mittel" sind relative Drucke, d.h., daß es sich dabei um die Differenz zwischen dem Druck an einer gegebenen Stelle und dem Ringraumdruck handelt, der hier als Null betrachtet wird; der tatsächliche oder wirkliche Druck wäre dann gleich diesen Druckhöhen zuzüglich

des Gefälledrucks, der bei 700 at (entsprechend 10 000 psi) oder bei einem noch höheren Wert liegen kannο)

Die effektive Fläche des Ventils 36 ist dabei etwas größer gewählt als die effektive Fläche des Kolbens 50 auf der Schaftseite. Wenn das Ventil 36 geschlossen oder nahezu geschlossen ist, verläuft demgemäß die auf den Schaft 46 wirkende Kraft in der durch den Pfeil in Fig. 2B angedeuteten Richtung; diese Kraft kann dabei gleich etwa 1000 (a-a¹) sein, wobei a die effektive Fläche des Ventils 36 und a¹ die effektive Fläche des Ausgleichskolbens 50 auf der Schaftseite bedeuten.

In Fig. 2A ist das Ventil 36 im geöffneten Zustand gezeigt, d.h. in dem Zustand, der einer Schlammströmung von der Ventileinlaßkammer 42 her ermöglicht, zu der Ventilauslaßkammer 44 Mn zu strömen und durch den Auslaßdurchgang 51 zu dem Ringraum 29 hin. Die erste und die zweite Ausgleichsöffnung 52 und 53 rufen jeweils eine bestimmte Einengung bezüglich des Schlammflusses hervor, wodurch sie jeweils einen Druckabfall hervorrufen. Demgemäß kann der Druck innerhalb der Kammer 72 so festgelegt werden, daß er irgendeinen Wert zwischen dem maximalen Druck innerhalb der Kammer 44 und dem minimalen Wert von der Auslaßseite des Auslaßdurchgangs 51 besitzt; dieser Druck entspricht dem Druck innerhalb des Ringraumes

Wie oben ausgeführt, ist in Fig. 2A wie in Fig. 2B mit dem gestrichelten Teil der Hochdruckbereich bezeichnet, und mit dem weißen Teil am Auslaß des Auslaßdurchgangs 51 ist der Bereich niederen Drucks veranschaulicht.

- IS

Während sich das Ventil im geöffneten Strömungszustand befindet, erfährt der Schlamm zwei Einschränkungen hinsichtlich der Strömung: Die Öffnung 52 und die Öffnung Demgemäß liegt der Druck in der Kammer 40 zwischen dem hohen Druck, wie er durch den gestrichelten Bereich veranschaulicht ist, und dem niederen Druck an der Austrittsstelle des Auslaßdurchgangs 51· Dieser mittlere Druck ist durch den punktierten Bereich in Fig. 2A veranschaulicht. Der betreffende mittlere Druck hat seinen Ursprung in der Kammer 40 zwischen den öffnungen und 53; er wird durch die Rohrleitung 54 zu der Ausgleichskammer 72 hingeleitetο Der Druck in dieser Ausgleichskammer 72 kann demgemäß auf irgendeinen sinnvollen Wert zwischen dem hohen Druck in der Ventilauslaßkammer 44 und dem niederen Druck an der Austrittsseite des Auslaßdurchgangs 51 eingestellt werden. Die Proportionierung der Größen der Öffnungen 52 und 53 steuert demgemäß den Druck in der Ausgleichskammer 72 und demgemäß die Kraft, die auf den Ausgleichskolben ausgeübt wird. Wenn die Öffnung 53 von derselben Größe wäre wie die Öffnung 52, dann läge der Druck in der Kammer 40 (und in der Ausgleichskammer 72) etwa in der Mitte zwischen dem Druck der Ventilauslaßkammer 44 und dem Druck im Ringraum 29. Da die Größe der Öffnung 53 größer ist als die der Öffnung 52, wird der Druck in der Ausgleichskammer 72 relativ absinken, und mit Rücksicht darauf, daß die Größe der Öffnung 53 kleiner gemacht ist als die der Öffnung 52, wird der Druck in der Ausgleichskammer 72 relativ erhöht. Wenn beispielsweise die Öffnung 53 klein gemacht wird im Vergleich zu der Öffnung 52, dann wird der Druck in der Ausgleichskammer 72 hoch sein, und demgemäß wird die auf den Kolbenkopf des Kolbens 50 ausgeübte Kraft hoch sein und versuchen, das Ventil 36 zu schließen. Wenn demgegenüber die Öffnung 53 groß ist im Vergleich zu der Öffnung 52

wird der Druck in der Kammer 72 niedrig sein. Demgemäß wird dieser Druck dazu neigen, dem Ventil 36 zu ermöglichen, im geöffneten Zustand zu verbleiben. Es zeigt sich somit, daß die auf den Kolbenkopf des Kolbens 50 ausgeübte Kraft zwischen weiten Grenzen eingestellt werden kann. Auf diese ¥eise steht also eine Einrichtung zur Einstellung der Wirkung des Ventils 36 zur Verfügungο

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Kraft, welche das Ventil 36 gemäß Fig„ 2B zu schließen versucht, und die Kraft, welche das Ventil 36 gemäß Fig. 2A zu öffnen versucht, durch erste und zweite, voneinander unabhängige Parameter bestimmt sind₀ Dies bedeutet, daß diejenige Kraft, die das Ventil zu schließen versucht, von den effektiven Flächendifferenzen des Ventils 36 und der Kolbenstangenseite des Ausgleichskolbens 50 abgeleitet wird» Demgegenüber wird die Kraft, welche das Ventil zu öffnen versucht, von den relativen Größen der Öffnungen 52 und 53 abgeleitet. Durch geeignetes Einstellen dieser Parameter kann das Ventil 36 so eingestellt werden, daß es durch die Ausübung einer schachen externen mechanischen Kraft geöffnet oder geschlossen wird.

Es ist ferner wichtig, darauf hinzuweisen, daß das Ventil 36 eine "bistabile" Wirkung besitzt, was bedeutet, daß das Ventil entsprechend einer bistabilen Einrichtung vom geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand oder umgekehrt umschaltet. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß der erste Parameter der betreffenden unabhängigen Parameter so gewählt wird, daß dann, wenn das Ventil sich innerhalb des Bereichs zwischen dem nahezu geschlossenen Zustand und dem vollständig geschlossenmZustand befindet, eine überwiegende Kraft

■bestimmter Größe in der Ventilschließrichtung ausgeübt und aufrecht erhalten wird. Der zweite Parameter der unabhängigen Parameter -wird so gewählt, daß dann^ wenn sich das . Ventil innerhalb des Bereichs zwischen dem nahezu geöffneten Zustand und dem vollständig geöffneten Zustand befindet, eine wirksame Kraft bestimmter Größe in der Ventilöffnungsrichtung ausgeübt und aufrechterhalten wird.

Damit dürfte ersichtlich sein, daß der einen negativen Schlammdruck erzeugende Impulsgenerator 28 gemäß der Erfindung eine vorhandene Energie ausnutzt, die aus dem Schlammdruck in einer solchen Art und Weise abgeleitet ist, daß die Größe der externen Energie stark herabgesetzt ist, die erforderlich ist, um das Ventil zu betätigen und darüber hinaus dem Ventil 36 eine bistabile Wirkung oder Umschaltwirkung zu verleihen.

Eine weitere Erläuterung des einen negativen Schlammdruck erzeugenden Impulsgenerator 28 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3A und 3B erleichtert werden, auf die nunmehr eingegangen wird. In Fig. 3A ist schematisch eine physikalische Ausführungsform des einen negativen Schlammdruck erzeugenden Impulsgenerators 28 mit seiner zugehörigen Tieflochanläge veranschaulicht, wie sie in der Bohranlage gemäß Fig. 1 angebracht sein dürfte. Die Bezugszeichen, die in Fig. 1, 2A und 2B verwendet worden sind, bezeichnen entsprechende Einzelteile in Fig. 3A· Gemäß Fig. 3A besitzt eine Teileinrichtung 58 in typischer Weise einen Außendurchmesser von ca, 172 mm (entsprechend 6 3/4 Zoll) und eine Länge von etwa 90 cm (entsprechend 3 Fuß)· Diese Teileinrichtung 58 trägt ein Innengehäuse 56 mit Hilfe von Armen oder perforierten oder geschlitzten Tragteilen (nicht dargestellt). Das innere Gehäuse 56 enthält den einen negativen

Schlammdruck erzeugenden Impulsgenerator 28; es trägt an seinem unteren Endteil die Instrumentierungsbereiche 62, 66 sowie einen Fühlerbereich 64. Der Schlamm tritt von der Innenseite der Bohrhülse 24 um das Gehäuse 56 in Richtung der Pfeile hindurch. Ein Filter 60 verhindert, daß Schlamm-Festteile in das Gehäuse eindringen. Das Ventil 36 ist als durch eine Betätigungseinrichtung 54 "betätigt dargestellt. Wenn das Ventil 36 geöffnet ist, wie dies in Fig. 2A veranschaulicht ist, kann ein gewisser Schlamm in einer Nebenwegströmung in den Ringraum 29 eintreten,, Die gebogenen Pfeile veranschaulichen dabei die Richtung dieses Nebenweg-Schlamms. Der Druck, der den Schlamm in den Ringraum 29 einpreßt, ist der Druck an.bzw. über den Strahlen des Meißels 26. Wenn das Ventil 36 geschlossen ist, ist der Nebenweg zu dem Ringraum 29 verschlossen.

Der frei bewegliche Kolben 76 trennt die Kammer 72 von einer mit Öl gefüllten Kammer 78 ab. Die Betätigungseinrichtung 54 ist innerhalb einer mit Öl gefüllten Kammer.80 angebracht« Ein Ausgleichsdurchgang 82 verbindet die Kammer 78 mit der Kammer 80, Im Zusammenwirken mit dem frei beweglichen Kolben 76 und dem Durchgang 74 werden somit die Kammern 72, 78 und 80 im wesentlichen auf demselben Druck gehalten, wie die Kammer 40. Der Durchgang 82 ist in Fig. 3A zum Teil gestrichelt veranschaulicht und in Fig. 3B überhaupt nicht dargestellt, da er in einer anderen Ebene als der dargestellten Schnittebene liegt.

Mit 68 ist eine Standard-Bohrhülse bezeichnet, und mit ' 69 ist ein Behälter-Unterbehälter bezeichnet. Der Bereich 66 besitzt einen Durchmesser von ca. 60, mm, (entsprechend 2 3/8 ZqÜ} ; er sitzt in einer etwa 4,5 m (entsprechend 15 Fuß) Standard-Hülse mit einem Außen-

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durchmesser von etwa 172 mm (entsprechend 6 3/4 Zoll) und einen Innendurchmesser von ca. 83 mm (entsprechend 3 1/4 Zoll). Die Einheit 30 ist mit speziellen Zentrierungsarmen 70 versehen, die in dem Behälter-Teilbehälter 69 fest sitzen. Die Zentrierungsarme 70 sind so ausgelegt, daß sie die Einheit 30 zentrieren, währenddessen ein freier Durchgang des Schlamms ermöglicht ist.

In Fig» 3B sind entsprechende Bezugszeichen verwendet wie in Pig, 2A, 2B und 3A. Dabei ist in Fig. 3B der einen negativen Schlammdruck erzeugende Impulsgenerator 28 in ausreichendem Verhältnis und derart detailliert dargestellt, daß einem Durchschnittsfachmann die tatsächliche Konstruktion des betreffenden Impulsgenerators veranschaulicht ist«, Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 3B die Betätigungseinrichtung 54 als zwei elektrische Hubmagneten enthaltend dargestellt ist, die in gegenüberliegender Beziehung angeordnet sind. Die Wicklung 55 des oberen Hubmagneten ist so angeordnet, daß eine nach oben gerichtete Kraft auf ihren Anker 57 ausgeübt wird, während die Wicklung 59 des unteren Hubmagneten derart angeordnet ist, daß eine Kraft in der nach unten zeigenden Richtung auf den Anker 61 des betreffenden Hubmagneten ausgeübt wird. Die Anker 57 und 61 sind lose mit einem mechanischen Gelenk 65 gekoppelt, welches an dem Schaft 47 derart befestigt ist, daß ein "Hammer"-Effekt erzielt wird. Dies bedeutet, daß bei Erregung der Wicklung eines Hubmagneten der Anker des betreffenden Hubmagneten sich über eine kurze Strecke bewegt, bevor er die Last des Schaftes mit einem hammerartigen Aufschlag aufnimmt„ Diese "Hammerⁿ-Wirkung hat einen günstigen Effekt auf die Öffnungs- und Schließvorgänge des Ventils 36 zur Folge. Geeignete Hubmagneten für diesen Anwendungsfall sind solche der Größe 6EC mit mittlerem Hub und konischer

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Fläche, wie sie von der Firma Ledex, Inc., Dayton, Ohio, hergestellt werden.

Zurückkommend zur Erläuterung des einen negativen Schlammdruck erzeugenden Impulsgenerators 28 werden nunmehr verschiedene weitere Faktoren und Merkmale betrachtet»

Die Öffnungen 52 und 53 sind so ausgebildet, daß sie kleinere Öffnungsflächen besitzen als der Durchgang 48, so daß die Geschwindigkeit der Schlammströmung über die Abdichtungsflächen des Ventils 36 und über dessen Sitz erheblich herabgesetzt ist im Vergleich zu der Geschwindigkeit der Schlammströmung durch die Öffnungen 52 und 53. Demgemäß konzentriert sich die Abnutzung auf die Öffnungen 52, 53, die aus einem verschleißfesten Material( wie Borcarbid) bestehen und die außerdem im "Feld" leicht auswechselbar sind, wie dies in Fig. 3B veranschaulicht ist. Diese kleinen nicht erodierbaren Öffnungen 52, 53 machen den einen negativen Schlammdruck erzeugenden Impulsgenerator 28 vollständig "ausfallsicher", was bedeutet, daß unabhängig davon, was beim Betrieb des Ventils 36 geschieht (wie ein Festsitzen in der geöffneten Position^ die Menge des Schlamms, der durch die Öffnungen 52, 53 hindurchzuströmen vermag, keine nennenswerten ungünstigen Auswirkungen auf das Bohren hat. Ein weiterer Vorteil, der sich daraus ergibt, daß die Öffnungen 52, 53 im "Feld" leicht auswechselbar sind, besteht darin, daß die betreffenden Öffnungen so berechnet werden können, daß sie sich am besten eignen für sich ändernde Gewichte und Viskositäten des Schlamms»

Da der einen negativen Schlammdruck erzeugende Impulsgenerator 28 starken Schwingungskräften ausgesetzt ist, muß der Aufbau für eine Stabilität des Ventils 36 sowohl in der geöffneten Position als auch in der geschlossenen

Position ausgelegt sein* Die erforderliche Stabilität wird durch den "hydraulischen Anschlag" oder die "■bistabile" Wirkung des Ventils 36 erzielt, was zuvor beschrieben worden ist«

Die mit dem Bohren verbundene vertikale Beschleunigung ist in der nach oben verlaufenden Richtung wesentlich stärker als in der nach unten verlaufenden Richtung. Wenn die Zähne des Bohrmeißels 26 auf einen harten Felsen stoßen, dann werden der Bohrmeißel und die Bohrhülsen 24 n-sch oben gedrückt, das bedeutet, daß eine nach oben gerichtete Beschleunigung auftritt» Ist jedoch der Bohrmeißel nach oben angehoben und außer Kontakt mit dem Felsen gebracht, so ist jedoch aufgrund der Schwerkraft eine geringe andere Kraft als die Beschleunigung vorhanden, wodurch der Bohrmeißel und die Bohrhülsen nach unten gedrückt werden. Demgemäß kann die nach oben gerichtete Beschleunigung . mehrere hundert g besitzen, während die nach unten gerichtete Beschleunigung lediglich in der Größenordnung von 1 g liegt. Das Ventil 36 muß daher so ausgelegt sein, daß im geschlossenen Zustand hohe nach oben gerichtete Beschleunigungswerte versuchen, das betreffende Ventil geschlossen zu halten, was bedeutet, daß der Ventilsitz noch besser wird. Die hohen nach unten gerichteten Beschleunigungswerte (die allerdings als klein angenommen werden) neigen dazu, das Ventil zu öffnen. Dies 1st bei dem aus Fig. 3A und 3B ersichtlichen Aufbau erreicht.

Aufgrund der Durchführung verschiedener Tests und Experimente wurde festgestellt, daß eine Kraft von etwa 34 Pfund erforderlich sein dürfte, um das Ventil dann zu betätigen, wenn der erste und der zweite der beiden voneinander unabhängigen Parameter, wie sie oben beschrieben worden sind, so gewählt sind, daß

ein geeigneter "hydraulischer Anschlag" oder eine "bistabile¹¹ Wirkung hervorgerufen wird, um eine angemessene Stabilität für das Ventil 36 zu erreichen. Durch Hinzufügung von guten technischen Sicherheitsfaktoren wurde die erforderliche Kraft zu 70 bis 100 Pfunde Die Ausübung einer Kraft dieser Größe über die erforderliche Strecke der Ventilbewegung bei elektromagnetisch gesteuerten Hubmagneten angemessener Größe würde eine elektrische Leistung von etwa 350 W erfordern, d.h. nahezu 1/2 PS. Bei einem derart hohen Leistungsbedarf erscheint es auf den ersten Blick, daß diejenige Energie, die für die Anzahl der Betätigungen des Ventils 36 benötigt wird, welche für einen erfolgreichen Betrieb erforderlich ist, weit über die Kapazität irgendeiner verfügbaren in sich abgeschlossenen Tiefloch-Speise Spannungsquelle liegen dürfte. Dieses offensichtliche Energieproblem wird jedoch überwunden, wenn berücksichtigt wird, daß der einen negativen Schlammdruck erzeugende Impulsgenerator 28 gemäß der vorliegenden Erfindung eine sehr schnelle Wirkung für das Ventil 36 hervorruft. Dies bedeutet, daß das Ventil 36 so ausgebildet werden kann, daß es auf die Anwendung der geforderten 350 Watt während lediglich etwa 20 Millisekunden öffnet (oder schließt). Die zum Öffnen (oder Schließen des Ventils erforderliche Energiemenge beträgt damit

-~ o=i 0,002 Wattstunden.

1000 · 60 « 60

Es gibt mcuderne Batterien hoher Dichte mit einer angemessenen Größe, die innerhalb des Raumes untergebracht werden können, der innerhalb der Bohrhülse 24 vorhanden ist;und die ohne weiteres eine Energie von 2000 Wattstunden liefern können. Deshalb kann/^sogar ohne Nachladen, wie dies weiter unten noch erläutert werden wird) eine ausreichende Batterie genügend Energie bereitstellen, um das Ventil 36 etwa eine Million mal zu betätigen»

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Unter der Annahme, daß das Ventil alle vier Sekunden einmal betätigt wird, vermag eine einzige Batterieladung das Ventil fortlaufend über einen Monat lang zu betätigen«, Es ist eine bedeutende Forderung hinsichtlich der Protokollierung während der Ausführung einer Bohrung, daß die Bohrlochanordnung unbeaufsichtigt zu arbeiten imstande ist (d.h. ohne Batterienachladung), und zwar über zumindest die Zeitspanne zwischen "Rundfahrten", d.h. während der Zeitspanne, während der ein einziger Bohrmeißel ohne Austausch bohren kann. Die besten Bohrmeißel halten lediglich etwa 100 bis 300 Stunden, weshalb der oben angegebene 30-Tage-Wert mehr als ausreichend ist.

Der praktische Aufbau des einen negativen Schlammdurck hervorrufenden Impulsgenerators 28 ist eine komplexe Angelegenheit. Obwohl sorgfältige Berechnungen unter Heranziehung der modernen Theorie der Hydrodynamik durchgeführt wurden, waren in den letzten Stufen viele Parameter durch empirische Methoden zu bestimmen. Ein wesentlicher Grund hierfür besteht darin, daß die ^Viskosität" des Bohrschlamms bzw· Bohrschlicks thixotrop ist und daß das dynamische Verhalten ziemlich verschieden ist von dem Verhalten von Flüssigkeiten mit einer klassischen oder sogenannten Newtonschen Viskosität. Das Bohrschlamm-^ttGewicht^M (Gramm pro Kubikzentimeter) und die "Viskosität" ändern sich über weite Bereiche β Dabei muß die Tatsache berücksichtigt werden, daß sich das "Gewicht" üblicherweise über einen wesentlich kleineren Bereich ändert als die "Viskosität". Der Bohrschlamm enthält üblicherweise nicht nur kolloidale Partikeln in einer Suspension, sondern auch größere Sandkörper und andere Partikeln.

Es wurde eine Experimentierreihe durchgeführt, um die minimale Größe der Abführöffnung zu bestimmen (die die

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-*f- 3</ 2552575

Fluid-Ableitgeschwindigkeit steuert, mit der das Fluid in den Ringraum abgegeben wird). In dieser Untersuchungsreihe war; im Anschluß an ein großes "Servo"-Ventil (mit einem Durchmesser von 25,4 mm) kleinere austauschbare Öffnungen vorgesehene Bei einer Bohrlochtiefe von 2400 m (entsprechend 8000 Fuß) und 1500 m (entsprechend 5000 Fuß) wurden die Untersuchungen durch sorgfältige Ausführung von Messungen vorgenommen, durch die die Größe des negativen Schlammdruckimpulses an der Oberfläche gemessen wurde, und zwar als Funktion der Größe der Abführungs- bzw. Ableitöffnung. Während diese Größe sukzessiv verringert wurde, schien die Höhe des Impulses an der Oberfläche nahezu unabhängig von der Größe der Öffnung zu sein, bis zum Erreichen einer überraschend

2 kleinen Offnungsflache von ca. 0,32 cm (entsprechend 0,05 Quadratzoll). Zu diesem Zeitpunkt wurde eine geringe Abnahme in der Impulshöhe beobachtet. Diese Eigenschaft war verhältnismäßig unerwartet; sie wurde jedoch später verstanden, nachdem die Elastizitätseigenschaften der Schlammsäule und die gespeicherte potentielle Energie in dieser Säule sorgfältig berücksichtigt wurden, wie dies oben erläutert worden ist„ Diese Erkenntnis führte zu der Ansicht, daß ein kleiner Impulsgenerator zur Erzeugung eines negativen Schlammdrucks brauchbare Signale an der Oberfläche erzeugen könnte. Danach wurden Berechnungen vorgenommen, und es wurde festgelegt, daß das "Servjf-Prinzip für die Ventilbetätigung nicht erforderlich ist. Die ^rtServo"-Ventil-Lösung wurde daher fallengelassen. Daraufhin wurde der direkt arbeitende und sehr schnell wirkende Impulsgenerator zur Erzeugung eines negativen Schlammdrucks entwickelt; er hat sich als erfolgreich erwiesen.

Bei einem praktisch ausgeführten Impulsgenerator 28 zur Erzeugung eines negativen Schlammdrucks können die

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folgenden Abmessungen als typisch angesehen werden: Öffnung 52 - Innendurchmesser 12,7 mm (entsprechend 0,50 Zoll); Öffnung 53 - Innendurchmesser ca. 7,8 mm (entsprechend 0,306 Zoll); Hub des Ventils 36 ca. 3,2 mm (entsprechend 0,125 Zoll); Durchmesser des Kolbens 50 - ca. 9,7 mm (entsprechend 0,383 Zoll); Durchmesser des Ventils 36 an seiner Sitzfläche - ca. 10,9 mm (entsprechend 0,430 Zoll); Winkel des Sitzes 37 relativ zur Achse der Ventilbewegung.«- 60°; Durchmesser der Öffnung am Sitz 37 oder Durchgang 48 - ca* 9,5 mm (entsprechend 0,375 Zoll); Durchmesser des Ventilschafts 46, 47 - ca_e 4,7 mm (entsprechend 0,187 Zoll).

In Fig. 3F ist schematisch eine Batterie eines speziellen Typs veranschaulicht, die gut geeignet ist für die Speisung der Tieflochanlage gemäß der Erfindung.

Tiefe Erdölbohrungen weisen- verschiedentlich hohe bodenseitige Lochtemperaturen zwischen 149°C und 204⁰C (entsprechend 300-400⁰F) auf. Viele elektrische Batterien können bei dieser Temperatur nicht betrieben werden. Dabei existiert jedoch eine Ausnahme: die modernen Batterien mit geschmolzenem Salz. Diese Batterien arbeiten gut bei hohen Temperaturen von 400° bis 500⁰C oder bei noch höheren Temperaturen; sie arbeiten allerdings prinzipiell nicht richtig bei tieferen Temperaturen, da bei derartigen Temperaturen der Elektrolyt sich verfestigt und aufhört, elektrisch zu leiten. Eine Lithium-Aluminium-Eisen-Sulfid-Schmelzsalz-Batterie wird von der Firma Eagle Pitcher Co., Joplin, Missouri, hergestellt. Andere Hersteller stellen ebenfalls Schmelzsalz-Batterien hoher Energie her, die speziell für den Einsatz in elektrischen Fahrzeugen beabsichtigt sind_o Diese Batterien sind sehr gut geeignet für den Betrieb bei hoher Temperatur.

Wie in Fig_g 3F dargestellt, ist eine Anordnung vorgesehen, die die Batterie gewissermaßen startet, bevor sie in den heißen Bereich des Ölbohrloches eingetaucht wirdjUnd die die Batterie im Gebrauch geladen hält. In Fig. 3F ist mit 155 die zugehörige Batterie bezeichnet. Mit 156 sind Heizelemente bezeichnet, die so angeordnet bzw. ausgelegt sind, daß eine geringe Wärmemenge an die Batterie 155 abgegeben wird. Mit 157 ist eine Verkleidung bezeichnet, die eine Wärmeisolation aufweist, beispielsweise ein Material, das als "Superisolationsmaterial" bekannt ist, wie es von der Firma Union Carbide Co., New York oder als "Multifoil" von der Firma The Thermo Electron Co„, Waltham, Mass., hergestellt wird. Anfangs wird eine äußere Spannung (von einer nicht dargestellten Spannungsquelle) an den Anschluß 158 abgegeben (während sich das Gerät an der Oberfläche befindet, und zwar vor der Einführung in die Bohrung). Diese Spannung aktiviert die Heizelemente 156, und der Batterie^elektrolyt schmilzt. Ferner wird die Batterie 155 durch die an den Anschluß angelegte Spannung geladen, bevor das betreffende Gerät in das Ölbohrloch eingeführt wird. Wenn die Batterie eine in ihrem normalen Betriebstemperaturbereich liegende Temperatur besitzt, wird der Stromkreis zu dem Heizelement 156 durch den Thermostatschalter 159 geöffnet. Dieser Schalter ist während solcher Zeitspannen geschlossen, während der die Abgabe einer zusätzlichen Wärme an die Batterie 155 erforderlich ist. Wenn eine Datenaufzeichnung bzw. Protokollierung während des Bohrens erfolgt, bewirkt die Schwingung des Werkzeugs, daß "die Einrichtung 160 einen Ladestrom erzeugt. Die Einrichtung 160 ist .an anderer Stelle näher beschrieben (siehe US-PS 3 970 877). Anstelle der an der vorstehend erwähnten Stelle beschriebenen Einrichtung könnten auch eine kleine, durch einen Schlammstrom gespeiste Turbine und ein elektrischer Generator verwendet werden, um die Batterie geladen zu halten, da lediglich eine

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Dauerladeleistung von etwa 1W erforderlich ist.

In Fig. 3G ist schematisch eine Batterie eines noch weiteren speziellen Typs veranschaulicht. Diese Batterie kann dazu herangezogen werden, die Tiefloch-Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung zu speisen. Diese Batterie verwendet vorzugsweise Zellen des Lithium-Schwefel-Typs, wie sie von der Firma Power Conversion Inc., Mt. Vernon, New York, hergestellt werden,, Außerdem können für diese Batterie auch Zellen des LeClanche-Typs oder Blei-Säure-Zellen verwendet werden. Sämtliche derartige Zellen entwickeln dann, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden (welche normalerweise in tiefen Erdbohrlöchern vorhanden sind) hohe innere Drucke, so daß die Zellen die Neigung zeigen, zu explodieren. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung (in Fig. 3G dargestellt) vorgesehen, durch die dieses Problem überwunden ist. Gemäß Fig. 3G ist eine Vielzahl von einzelnen Zellen 161 des oben erwähnten Typs in Reihe geschaltet zwischen einem Erdanschluß 162 und einem positiven Anschluß 163 vorgesehen. Jede Zelle ist vorzugsweise mit einer herkömmlichen Druckentlastungskappe oder einem herkömmlichen Druckentlastungsventil 164 versehen. Gemäß der Erfindung sind die Zellen 161 in einem Behälter oder Reservoir 165 untergebracht, der Drucken zu widerstehen imstande ist, welche jene Drucke überschreiten, die von dem Elektrolyten der Zellen 161 entwickelt werden könnten. Innerhalb des Vorratsbehälters 165 ist eine Flüssigkeit 166 vorgesehen, die dieselben oder ähnliche Druck-Temperatur-Charakteristiken besitzt wie der Elektrolyt. Dies bedeutet, daß die Flüssigkeit 166 einen Dampfdruck entwickeln wird (wenn sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird), der weitgehend gleich dem Dampfdruck des Elektrolyten in den Zellen 161 ist. Im einfachen Fall der Zelle des LeClanche-Typs oder der

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Blei-Säure-Zelle kann die Flüssigkeit 166 Wasser sein, da der Behälter 165 hermetisch abgeschlossen und druckbeständig ist. Die Flüssigkeit 166 (in diesem Beispiel also Wasser) wird niemals kochen - unabhängig davon, wie hoch die Temperatur ist. Vielmehr bildet sich in dem Raum oberhalb der Flüssigkeit 166 einfach ein Dampfdruck aus, der hoch genug ist, um den Dampfdruck auszugleichen, der durch die heiße Flüssigkeit erzeugt wird,,

Dasselbe Prinzip kann dann angewandt werden, wenn die Zellen vom Lithium-Schwefel-Typ sind. Die Flüssigkeit sollte dabei Schwefeldioxid sein. Der Schwefeldioxiddampf, der von den Zellen 161 erzeugt wird, wird sich stets im Druckausgleich mit dem Behälter 165 befinden, da die Schwefeldioxidflüssigkeit in diesem zusätzlichen Behälter 165 stets Drucke erzeugen wird, die gleich jenen Drucken sind, die durch die Zellen 161 erzeugt werden.

Schwefeldioxid und Wasser gemäß den zuvor angegebenen Beispielen stellen häufig jedoch nicht zufrieden, und zwar a) mit Rücksicht darauf, daß Schwefeldioxid in starkem Maße korrosiv ist, und mit Rücksicht darauf, daß Wasser ein elektrischer Leiter ist und die Batterien kurzschließen kann. Eine alternative Substanz ist Di-Chlordifluormethan, das gewöhnlich als Freon bezeichnet wird und das von der Firma E.I.DuPont &' Co, Wilmington, Delaware, hergestellt wird. Viele Arten von Freons sind mit einer nahezu unbegrenzten Anzahl von thermodynamischen Eigenschaften entwickelt worden, d.h. mit Druck-Temperatur-Verhältnissen. Andere Substanzen können ohne weiteres ermittelt werden, wie Kohlenwasserstoffdämpfe, Propan oder Butan oder Mischungen von Dämpfen und Gasen. Es dürfte genügen darauf hinzuweisen, daß die Batteriezellen 161 in einem Behälter 165 eingeschlossen sind und daß in diesen Behälter eine geringe Menge einer Substanz

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eingebracht wird, die ähnliche Temperatur-Druck-Beziehungen wie der Elektrolyt in den Batteriezellen aufweist« In Fig. 3F und 3G ist lediglich eine geringe Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen veranschaulicht. Tatsächlich wird normalerweise eine große Anzahl von Zellen verwendet. Bei der hergestellten Anlage gemäß Fig«, 3G sind 17 Leistungs-ümsetz-Co-Lithium-Schwefelverwendet worden.

Eine weitere bedeutende Eigenschaft der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Zeitspanne, während der das Ventil 36 "geöffnet" gehalten wird, keine Beziehung zu dem erforderlichen Energiebedarf hat. Die einzige erforderliche Energie ist diejenige Energie, die bereitzustellen ist, um das Ventil 36 in die "geöffnete" Stellung zu betätigen. Die Bedeutung dieses Merkmals dürfte aus der folgenden Betrachtung vollständig ersichtlich werden«,

Es ist experimentiell bestimmt worden, daß das Ventil während einer Dauer von etwa 1/2 bis 1 Sekunde geöffnet gehalten werden muß, um ein starkes Signal aus einer Tiefe von 3000 bis 6000 m (entsprechend 10 000 bis 20 000 Fuß) zu liefern und daß jegliche elektromechanische Einrichtung (Hubmagnet oder sonstige Einrichtung) während dieser Zeitspanne nicht nur hohe Energiemengen benötigt, sondern auch überhitzt wird und unter Bohrbedingungen wahrscheinlich aufgrund der selbst erzeugten Wärme verbrennt.,

Wie oben ausgeführt, sind zwei typische Fühler als Beispiele der Typen vorgesehen, die beim Betrieb der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. In Fig. 3C ist ein natürlicher Gammastrahlenfühler mit seiner zugehörigen Schaltungsanordnung veranschaulicht, die bei diesem Beispiel vom Analog-Typ ist. In Fig. 3D

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ist ein Temperaturfühler veranschaulicht, der beispielsweise vom Digital-Typ ist. Jeder dieser FUhler kann mit dem Eingangsanschluß der Instrumentenanlage verbunden sein, die in Fig. 3E veranschaulicht ist und auf die weiter unten noch näher eingegangen werden wird.

Gemäß Fig. 3C ist ein Geigerzähler 168 vorgesehen, der mit einer herkömmlichen Hochspannungsquelle +HV versehen ist. Der Geigerzähler 168 erzeugt Impulse; er ist über einen Kondensator 169 mit einem Verstärker 171 verbunden und erzeugt an seinem Ausgang Impulse, die jenen Impulsen des Geigerzählers 168 entsprechen, line eine Untersetzung um 1024 vornehmende Untersetzungsschaltung 172 erzeugt einen Ausgangsimpuls auf jeweils 1024 Geigerzähler-Impulse hin. Das Ausgangssignal dieser Untersetzerschaltung 172 ist durch Impulse veranschaulicht, die in einer Zeitspanne von ti aufeinanderfolgen. Je höher die Gammastrahlenintensität ist, je höher wird die Frequenz der Impulse am Ausgang der Untersetzerschaltung 172 sein, und umso kürzer wird die Zeitspanne ti sein.

In Fig. 3D ist der Fall des Temperaturfühlers veranschaulicht. Die Temperatur wird mittels eines Thermistors 173 ermittelt, d.h. mit Hilfe eines Halbleiters, dessen Widerstand sich mit der Temperatur verändert (wobei der betreffende Halbleiter mit einer geeigneten Speisespannungsquelle - nicht dargestellt - versehen ist). Dabei ist angenommen, daß das Ausgangssignal des Thermistors 173 eine zu der Temperatur im Verhältnis stehende Gleichspannung ist. Der Verstärker 174 verstärkt diese Gleichspannung und crückt sie gewissermaßen einem Analog-Digital-Umsetzer 175 auf, der seinerseits eine Reihe von binären Bytes nacheinander erzeugt. Dabei ist jedes Byte kennzeichnend für eine Zahl, die proportional der ermittelten Temperatur ist. Die

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Ausgangssignale von Leistungsverstärkern 185 und 186 werden dabei dazu herangezogen, die Speisung der Wicklungen von mit ihren Rückseiten gewissermaßen miteinander gekoppelten Hubmagneten zu steuern (wie dies nachstehend beschrieben wird), um das Ventil 36 zu betätigen. Wenn die Wicklung 55 gespeist wird, wird der Hubmagnetanker 57 (siehe Fig. 3B) nach oben bewegt, wodurch ein nach oben gerichteter Druck auf den Schaft unter Betätigung des Ventils 36 ausgeübt wird, das dadurch in die »geöffnete" Stellung gelangt. Wenn die Wicklung gespeist wird, wird der Hubmagnetanker 61 nach unten bewegt, wodurch der Schaft 47 eine Abwärtsbewegung ausführt und das Ventil 36 derart betätigt, daß es in die "geschlossene" Stellung gelangt.

Bei den gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Fühlern wird die Größe des Bohrlochparameters durch elektrische Impulse dargestellt. Die Folge der Impulse stellt einen Code (einen Binärcode oder sonstigen Code) dar, und diese Codefolge charakterisiert die Größe des Parameters. In Fig. 3E ist veranschaulicht, wie jeder einzelne Impuls dieses Codes verarbeitet wird, um das Ventil 36 zu betätigen. Gemäß Fig. 3E ist mit 177 ein derartiger Impuls bezeichnet, der während einer kurzen Zeitspanne auftritt, die lediglich einige wenige Mikrosekunden beträgt. Dieser Impuls 177 wird der in dem Block 178 enthaltenen Schaltungsanordnung aufgedrückt« Dieser Schaltungsblock 188 enthält ein monostabiles Kippglied sowie geeignete Invertierungs-Gleichrichterschaltungen, wie sie auf dem Gebiet der Elektronik bekannt sind. Die betreffende Schaltung 178 gibt auf das Auftreten eines einzigen Eingangsimpulses hin zwei Ausgangsimpulse ab, die zeitlich um ti voneinander getrennt sind. Der erste Impuls fällt normalerweise zeitlich mit dem Eingangsimpuls zusammen, und der zweite Impuls tritt

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um eine Zeitspanne von ti später auf, wie dies durch die Impulse 179 und 180 veranschaulicht ist. Diese elektrischen Impulse 179, 180 werden nunmehr den in den Blöcken 181 bzw. 182 enthaltenen Schaltungen aufgedrückt bzw. zugeführt. Diese beiden Schaltungen sind identisch; dabei handelt es sich um sogenannte Impulsverlängerungsschaltungen, die an sich auf dem Gebiet der Elektronik bekannt sind. Jeder Eingangsimpuls wird derart verlängert, daß Ausgangsimpulse 183 bzw. 184 abgegeben werden. Diese Impulse werden Darlington-Leistungsverstärkern 185 bzw. 186 zugeführt (wie sie von der Firma Lambda Mfg. Co, Melville, New York hergestellt und unter der Typenbezeichnung PMD16K100 vertrieben werden).

Bei der praktischen Ausführung der elektronischen Verknüpfungs- und Leistungsschaltungsanordnung gemäß Fig. 3E, die bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet worden ist, sind als Konstanten folgende Werte gewählt worden: ti = 500 ms und t2 = 20 ms. Wenn im Betrieb ein einzelner Impuls 177 über die Leitung 167 abgegeben wird, wird der Darlingtonverstärker 185 während einer Dauer von 20 ms eingeschaltet und sodann ausgeschaltete Sodann wird 500 ms später der Darlingtonverstärker 186 während einer Dauer von 20 ms eingeschaltet und sodann ausgeschaltet. Dadurch wird das Ventil 36 während einer Zeitspanne von 500 ms geöffnet, ohne daß irgendeine Energie während dieser Zeitspanne benötigt wird. Eine Energie wird lediglich während der kurzen Zeitspannenjyon 20 ms benötigt, die erforderlich sind, um das Ventil 36 in die geöffnete oder geschlossene Stellung zu betätigen. Die oben angegebenen Zahlenwerte dienen im übrigen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Es dürfte genügen darauf hinzuweisen, daß dadurch, daß die Wirkung des Ventils 36 (a) sehr schnell

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und (b) bistabil gemacht wird, sehr hohe Schlammdrucke und Schlammvolumen durch die Ventilbetätigung befördert werden können, ohne daß die Forderung nach Verwendung von großen Energiemengen vorhanden ist. Außerdem können, wie oben beschrieben, relativ geringe Energie liefernde Batterien das Ventil etwa eine Million mal betätigen.

Bei einer praktischen Ausführungsform dieser Vorrichtungbeträgt das Gewicht des gesamten Ventilmechanismus 36 gemäß Fig. 2A oder 3A einschließlich des Hubmagnetankers 54, des Schaftes 46 und des Kolbens 50 etwa 255 g (entsprechend 9 Unzen). Das Ventil 36 ist so ausgelegt worden, daß es bei einem Differenzdruck von caο 112 at (entsprechend I6OO psi) arbeitet und so proportioniert ist, daß es bei optimaler Leistung arbeitet. Dies schließt die Folge ein, daß die zum Öffnen und Schließen des Ventils 36 erforderliche Kraft die Kraft aufgrund der Vertikalbeschleunigung der gesamten Vorrichtung nahe des Meißels 26 übersteigen muß.

Unter der Annahme eines Schwingungswertes von 60 g und des Gewichtsvon ca. 255 g (entsprechend 9 Unzen) beträgt die maximale vertikal gerichtete Kraft auf das Ventil infolge der Schwingung des Werkzeugs 56 etwa 31 Pfund (entsprechend 34 Pounds). Um sicher zu sein, daß das Ventil 36 nicht unbeabsichtigt geschlossen wird, müssen die das Ventil geschlossen haltende Kraft gemäß Fig_e 2B und die das Ventil geöffnet haltende Kraft gemäß Fig. 2A etwa 31 Pfund (entsprechend 34 Pounds) überschreiten. Durch geeignete Wahl des ersten und des zweiten der voneinander unabhängigen Parameter, wie sie oben beschrieben worden sind, wird ein Ausgleichszustand erreicht. Unter Ausgleich wird hier verstanden, daß die

zum Öffnen des Ventils 36 erforderliche Kraft gleich der Kraft ist, die zum Schließen des Ventils benötigt wird ο

Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete oberirdische Anlage, und zwar hinsichtlich der Verfahren und Anordnung^zur Beseitigung von Störungsauswirkungen, die im Ausgangssignal des Druckwandlers 100 vorhanden sein können, können verschiedene Formen besitzen,wie dies nunmehr beschrieben werden wird.

In Fig. 4 ist eine typische oberirdische Anlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser Anlage ist der ermittelte Bohrlochparameter die Radioaktivität von Formationen, die von der Bohrung während des fortschreitenden Bohrens durchzogen werden. Der entsprechende Teil der Datenaufnahme- bzw. Protokollierungsanlage, der sich unterhalb der Erdoberfläche befindet, ist zuvor beschrieben und in Fig. 2A, 2B sowie 3A bis 3G dargestellt worden.

Gemäß Fig. 4 wird durch einen mit dem Standrohr 16 verbundenen Druckwandler 100 die Änderung bzw. Schwankung des Schlammdrucks innerhalb des Standrohres in eine sich ändernde elektrische Spannung umgesetzt. Diese Spannung ist kennzeichnend für eine Mischung zweier Komponentensignale: Dem brauchbaren, eine Information mit sich führenden Signal und dem Störsignal_e Das eine Information mit sich führende Signal ist eine Folge von kurzen, negativen Schlammdruckimpulsen, die durch das plötzliche Öffnen und Schließen des Ventils 36 erzeugt werden. Das Störsignal liegt vor in Form von relativ langsamen und periodisch auftretenden Druckänderungen, die durch die Hübe der Schlammpumpe 12 erzeugt werden. Diese Schlammpumpensignale zeigen die

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-•- ί,ζ-

Neigung, die Information zu maskieren bzw. auszublenden, die durch Ausnutzung der kurzen negativen Schlammdruckimpulse zu erzielen erwünscht ist.

Eines der Ziele der Erfindung besteht dabei darin, aus dem durch den Wandler erzeugten "verunreinigten" Signal ein "sauberes" Signal zurückzugewinnen, welches die erwünschte Information liefert. Erreicht wird dies mittels einer Signalgewinnungsschaltung 102, die am Ausgangsanschluß 101 des Druckwandlers 100 angeschlossen ist«, Die Signalgewinnungsschaltung beseitigt Störeffekte und erzeugt an ihrem Ausgangsanschluß 108 eine Folge von Impulsen .,aus denen die den Bohrlochparameter betreffende Information ohne weiteres erhalten werden kann.

Die Signalgewinnungsschaltung 102 wird in einer bestimmten Weise du^rch eine Folge von Zeitsteuerimpulsen.gesteuert, die von einem Impuslsgenerator 111 her erhalten werden und die an Steueranschlüsse 113» 114 abgegeben werden. Der Impulsgenerator 111 wird mechanisch von der Schlammpumpe 12 her angetrieben, um eine geeignete Anzahl von Zeitsteuerimpulsen pro Pumpenumlauf zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist eine kej:tengetriebene Antriebsanordnung 112 vorgesehene

Das von der Signalgewinnungsschaltung 102 erhaltene "saubere" informationstragende Signal liegt vor in Form von Impulsen, die von der Betätigung des Ventils des Generators 28 abgeleitet sind. Die relevante Information ist durch die Zeitintervalle gegeben, die die Impulse voneinander trennen,, Ein am Ausgangsanschluß der Signalgewinnungsschaltung angeschlossener Zeit-Amplituden-Umsetzer 115 setzt diese von der Betätigung des Ventils 36 des Generators 28 abgeleiteten Impulse in Signale um, deren Größen kennzeichnend sind für die

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dazwischenliegenden Intervalle. Der Umsetzer 115 ist eine an sich bekannte elektronische Einrichtung; er kann aus Bauelementen aufgebaut sein, wie sie von der Firma Burr-Brown, Tuscon, Arizona, USA, hergestellt werden. Bezüglich einer weiteren detaillierten Beschreibung von Zeit-Amplituden-Umsetzern sei auf die Druckschrift "Nuclear Instruments and Methods" 121 (1974), Seiten 547 bis 566, North Holland Publishing Co., hingewiesen, und zwar insbesondere auf den Artikel "Logic Design of High Precision Time to Pulse Height Converters" von M. Bertolaccini und S. Cova.

Die von dem Umsetzer 115 abgenommenen Signale werden ihrerseits dem Eingangsanschluß 109 einer Reziprokbildungsschaltung 118 zugeführt. Die Reziprokbildungsschaltung 118 (die beispielsweise von der Firma Analog Devices, Inc., Norwood, Mass., hergestellt sein kann) liefert Ausgangsspannungen, die Reziprokwerte der Eingangsspannungen sind. Wenn demgemäß eine Eingangsspannung der Größe M der Reziprokbildungsschaltung 118 zugeführt wird, dann wird eine Ausgangsspannung mit einer Größe von 1/M erhalten. Diese Signale mit den Größen 1/M werden ihrerseits auf dem Registrierstreifen eines Aufzeichnungsgerätes 120 aufgezeichnet. Der Aufzeichnungs-Registrierstreifen des Registriergeräts 120 wird in Korrelation mit der sich ändernden Tiefe der Fühlereinheit 30 durch eine Tiefenfühleinrichtung 121 bewegt. Die Tiefenfühleinrichtung kann beispielsweise eine modifizierte oder angepaßte Anordnung sein, wie sie von der Firma The Geolograph Medeavis Company, Oklahoma City, Oklahoma, USA, vertrieben wird₀

Um die Betriebeeigenschaften der Signalgewinnungsschaltung 102 deutlicher zu veranschaulichen, wird das Verhalten der verschiedenen Signale analysiert, die in

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- η

den Betrieb der betreffenden Schaltung einbezogen sind. Diese Signale sind schematisch in vereinfachter und idealisierter Form als zeitlich sich ändernde Signale in Fig. 5 veranschaulicht. Dabei sei von folgender Beziehung ausgegangen:

FCt) = SCt) + NCt) CD

wobei SCt) das brauchbare, eine Information tragende Signal bedeutet, welches durch die negativen Schlammdruckimpulse P1, P2 und P3 gebildet wird, die längs der Zeitachse t ausgerichtet sind. CSiehe Fig. 5 CAchse A)). Die Zeitpunkte des Auftretens dieser Impulse, die den Zeitpunkten der Betätigung des Ventils 36 des Generators 28 entsprechen, sind mit ti, t2 bzw. t3 bezeichnet. Die Zeitintervalle, die diese Impulse voneinander trennen, sind mit λ 1 = t2 - ti, Ä2 = t3 - t2 bzw. mit /13 = "^ " ^3 bezeichnet. Diese Zeitspannen sind kennzeichnend für die Intensität der gemessenen Strahlung. Wenn diese Zeitintervalle groß sind, ist die Intensität relativ schwach, und umgekehrt ist die Intensität relativ stark, wenn die betreffenden Zeitspannen kurz sind« Das durch die Schlammpumpe 12 erzeugte Störsignal ist in Fig. 5CAchse A) durch eine periodische, nicht jedoch notwendigerweise sinusförmige Funktion NCt) veranschaulicht, die eine Periode von T besitzt. Die Länge der Periode steht in Beziehung zur Drehzahl der Pumpe.

Um die Erläuterung zu erleichtern, sind die relativen Maßstäbe in Fig. 5 verzerrt gewählt. In der Praxis können 50 bis 80 Schwingungen von NCt) zwischen dem Zeitpunkt des Auftretens von P1 und P2 liegen. Demgemäß können sich /\ 1 und Ά 2 von 5OT bis 8OT ändern* In Fig. 5 CAchse A) sind jedoch lediglich einige wenige Schwingungen von NCt) zwischen P1 und P2 veranschaulicht. Überdies besitzen in der Praxis die negativen Schlamm-

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druckimpulsePI, P2, P3 keine reine Rechteckform, wie dies in Fig. 5 (Achse A) veranschaulicht ist. Darüber hinaus sind die tatsächlichen Impulse wesentlich schmaler als jene, die in Fig. 5 (Achse A) veranschaulicht sinde Aufgrund der tatsächlichen Erfahrung beträgt die Höhe des Impulses P1, P2 oder P3 etwa 0,1 bis 0,01 der maximalen Amplitude der Schwingung N(t).

Die Achsen A-B sind in Fig. 5 untereinanderliegend derart angeordnet, daß man die Signale in ihren zeitlichen Beziehungen zueinander vergleichen kann. Unter Heranziehung dieser Darstellungen können nunmehr die instrumentiellen Schritte aufgezählt werden, die in den Betrieb der Signalgewinnungsschaltung 102 einbezogen sind. Dabei handelt es sich um folgende Schritte: Schritt 1: Das Eingangssignal F(t) wird um eine Größe T so versetzt, daß folgende Beziehung erhalten wird:

F(t-T) = SCt-T) + NCt-T) (2)

wobei S(t-T) und N(t-T) das versetzte brauchbare Signal bzw. das versetzte Störsignal bedeuten. Die beiden Signale sind in Fig. 5 (Achse B) veranschaulicht. Das

Signal SCt-T) ist durch die Impulse PI^, P2^ und

P3 dargestellt. Diese Impulse werden dadurch erhalten, daß die entsprechenden Impulse P1, P2 und P3 gemäß Fig. (Achse A) um einen Betrag von T versetzt werden. Das Signal N(t-T) gemäß Fig. 5 (Achse B) ist als Signal dargestellt, das sich in genauem Synchronismus mit N(t) gemäß Fig. 5 (Achse A) befindet. Dies ergibt sich mit Rücksicht auf die Periodizität des Signals. Damit gilt

NCt-T) = NCt) (3)

Schritt 2: Die versetzte Eingangsfunktion F(t-T) wird von der ursprünglichen Eingabiunktion F(t) subtrahiert, wodurch folgende

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Beziehung erhalten wird:

MCt) = FCt) - FCt-T) (4)

Unter Berücksichtigung der Gleichungen (Ό, (2) und C3) erhält man

MCt) * SCt) - SCt-T) C5)

Demgemäß ist das Störsignal beseitigt worden; es tritt nicht in MCt) auf. Dies kann aus einer Betrachtung von Fig. 5C(Achsen A und B) ersehen werden.

Wie in Fig. 5 CAchse C) dargestellt, besteht MCt) aus Impulsen, die paarweise auftreten. Jedes Impulspaar enthält einen negativen Impuls und einen positiven Impuls. Diese beiden Impulse sind dabei um eine Zeitspanne von T voneinander getrennt. Demgemäß ist ein Impulspaar dargestellt, bestehend aus einem Impuls P1^ ' und einem Impuls P1^ ; dieses Impulspaar wird von einem Impulspaar gefolgt, bestehend aus einem Impuls P2^ ' und einem Impuls P2^°'. Danach folgt ein weiteres Impulspaar, bestehend aus einem Impuls P3^^c) und einem Impuls P3^^c^, usw..

Schritt 3: Die Größe MCt) wird um eine Zeitspanne von T derart versetzt, daß MCt-ϊ) erhalten wird. Demgemäß wird die gesamte Folge der Impulse gemäß Fig. 5 CAchse C) längs der Zeitachse um T so verschoben, daß sie in der aus Fig. 5 (Achse D) ersichtlichen Lage auftritt. Die impulsweise Anordnung der Impulse ist aus Fig. 5 CAchse D) ersichtlich. Jedes Impulspaar, wie das die Impulse Pi(°) und Pi(°) umfassende Impulspaarjist in bezug auf das Impulspaar, umfassend die Impulse Pi(b) und Pi(b) C wie dies in Fig. 5 CAchse C) veranschaulicht ist)jum T versetzte In entsprechender Weise ist das Impulspaar mit den Impulsen P2(<^2 und P2(^c' in bezug auf das die Impulse P2^ ' und P2
setzt, und so weiter,,

p
Impulse P2^ ' und P2(^b) umfassende Impulspaar um T ver

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Schritt 4: Es werden die versetzten Impulse gemäß Fig. 5 (Achse D) mit den Impulsen gemäß Fig. 5 (Achse C) verglichen. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß einige dieser Impulse gemäß Fig.5 (Achse D) zeitlich koinzident mit einigen Impulsen gemäß Fig. 5 (Achse C) auftreten. Die Zeitpunkte des koinzidenten Auftretens derartiger Impulse sind in Fig. 5 (Achse E) als Impulse Pi(d), P2^^d) und P3C<*) festgehalten. Demgemäß koinzidiert Pi(d) mit PiF) und PiC°), ferner koinzidiert P.2U) mit P2(^b) und P2(°), und P^Cd) koinzidiert mit P3^ und

Die Zeitpunkte, zu denen die Impulse P1^^d', P2^ und P3^ ' auftreten sind ti + T, t2 + T bzw. t3 + T.

Die Impulse P1^, P2^ und P3^ entsprechen den in Fig. 5 (Achse A) vex^anschaulichten Impulsen P1, P2 bzw. P3. Demgemäß kennzeichnen die in Fig. 5 (Achse E) dargestellten Impulse auch diese brauchbare Funktion, die nunmehr S(t-T) ist, da sie lediglich um T versetzt ist. Es dürfte ersichtlich sein, daß die Impulse G gemäß Fig. 5 (Achse E) diejenige Information liefern, die zu erhalten versucht wird. Die Zeitspanne zwischen P1Cd) und P2Cd/ beträgt /11, und die Zeitspanne zwischen P2Cd) und P3(d) beträgt ^ 2, etc.. Die Größen 7\1, /\2, etc. sind kennzeichnend für die Strahlung, die durch den Gammastrahldetektor gemessen wird.

Die vorstehend angegebenen Schritte werden nunmehr hinsichtlich ihrer Beziehung auf die Leistungsfähigkeit der Signalgewinnungsschaltung 102 und insbesondere im Hinblick auf jene zwei Komponententeile betrachtet, die in Fig. 4 mit 105 bzw. 107 bezeichnet sind und die in Fig. 6 und 7 schematisch dargestellt sind.

Die Komponente 105 nimmt an ihrem Eingangsanschluß 101

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(bei dem es sich um denselben Anschluß handelt wie um den Anschluß der Signalgewinnungsschaltung 102 gemäß Fig. 4) das Signal F(t) auf. Wie in Fig. 6 dargestellt, wird dieses Signal über einen Verstärker dem Eingangsanschluß 131 eines Verzögerungsnetzwerkes 132 zugeführt. Das Verzögerungsnetzwerk bewirkt eine Verzögerung des Signals F(t) um T; es erzeugt an seinem Ausgangsanschluß 134 somit das Signal F(t-T). Dieses Signal stellt die Summe zweier Komponentensignale S(t-T) und H(.t-T) dar, die in Fig. 5 (Achse B) dargestellt sind.

Das Signal F(t-T) wird dem einen Eingangsanschluß einer Subtrahiereinrichtung 135 zugeführt. Der andere Eingangsanschluß 136 der Subtrahiereinrichtung nimmt direkt das Signal F(t) auf, das vom Anschluß 101 her über einen Leiter 137 zugeführt wird. Demgemäß erhält man am Ausgangsanschluß 106 der Subtrahiereinrichtung 135 das Differenzsignal M(t) = F(t) - F(t-T). Dies ist in Fig. 5 (Achse C) veranschaulicht.

Das Verzögerungsnetzwerk 132 ist mit einem Steueranschluß 113 versehen, der ein die Verzögerungszeit T ,steuerndes Signal aufnimmt. Es ist wichtig, daß die Dauer der Verzögerungszeit T gleich der Dauer der Periode der Schlämmdruckschwingungen ist, die von der Schlammpumpe 12 erzeugt werden.

Die Größe der¹ Verzögerungszeit T wird durch die Zeitsteuerimpulse gesteuert, die von dem Impulsgenerator 111 her abgeleitet sind, der ebenfalls in Fig, 4 dargestellt ist , Diese Impulse werden über den Leiter dem Steueranschluß 113 zugeführt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Verzögerungszeit T gleich der Periodendauer der Schwingung des Schlammdruckes ist, der in aufeinanderfolgenden Hüben der Schlammpumpe 12 erzeugt wird. Demgemäß muß die Frequenz dieser ZeitSteuerimpulse

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durch die Drehung der Pumpe gesteuert werden.

Unter der Annahme, daß die Pumpe N1 Hübe pro Sekunde ausführt, beträgt T somit 1/N1. Der Impulsgenerator erzeugt Zeitsteuerimpulse mit einer relativ hohen Frequenz von N2, bei der es sich um ein Vielfaches von N1 handelt. Demgemäß ist N2 = KN1, wobei K eine Konstante ist, die mit 512 gewählt worden ist. Wenn die Hübe der Pumpe eins pro Sekunde betragen, würde dies erfordern, daß der Signalgenerator 512 Impulse pro Sekunde erzeugt. Es dürfte ersichtlich sein, daß die Impulsfrequenz der Schlammpumpe 12 sich zeitlich ändert und daß sich demgemäß N2 derart ändert, daß sichergestellt ist, daß die durch das Verzögerungsnetzwerk 132 erzeugte Verzögerungszeit stets gleich einer Periode der Schlammdruckschwingungen ist, die von der Schlammpumpe 12 erzeugt werden.

Das Verzögerungsnetzwerk 132, das, wie oben beschrieben, gesteuert wird, kann eine sogenannte Reticon-Modell SAD-1024-Dual-Analog-Verzögerungsleitung sein, wie sie von der Firma Reticon Corporation, Sunnyvale, California, USA, vertrieben wird.

Die zuvor beschriebenen Instrumentalschritte sind die Schritte 1 und 2, die von der Komponente 105 der Signalgewinnungsschaltung 102 ausgeführt werden. Dabei wird das Eingangssignal F(t) - das durch seine Komponenten in Fig. 5 (Achse A) veranschaulicht ist - in ein Ausgangssignal M(t) transformiert, welches als Folge von Impulspaaren auftritt und in Fig. 5 (Achse C) veranschaulicht ist. Nunmehr sei mit der Beschreibung weiterer Instrumental-Schritte fortgefahren, die erforderlich sind, um die gewünschten Ziele zu erreichen. Diese Schritte werden durch die Komponente 107 der Signalgewinnungsschaltung 102 ausgeführt.

Nunmehr sei auf Fig. 7 Bezug genommen. Das Signal M(t) wird nunmehr über den Leiter 140 an ein Verzögerungsnetzwerk 141 abgegeben. Dieses Verzögerungsnetzwerk ist identisch mit dem in Fig. 6 dargestellten Verzögerungsnetzwerk 132. Es nimmt an seinem Steueranschluß 114 dasselbe Steuersignal auf, das dem Steueranschluß 113 des Verzögerungsnetzwerks 105 zugeführt wurde. Demgemäß beträgt die Verzögerungsdauer, die durch das Verzögerungsnetzwerk 141 hervorgerufen wird, gleich T, und das am Ausgang des Verzögerungsnetzwerks 141 auftretende Signal ist M(t-T), wie dies in Fig. 5 (Achse D) veranschaulicht ist. Dieses Ausgangssignal wird über einen Verstärker 143 einem Eingangsanschluß 145 eines UND-Gliedes 146 zugeführt. Gleichzeitig wird das unverzögerte Signal M(t) über den Leiter 147 und den Verstärker 148 dem anderen Eingangsanschluß 149 des UND-Gliedes 146 zugeführt. Diese beiden iUingangssignale M(t) und M(t-T), die dem UND-Glied 146 zugeführt werden, sind in Fig. 5 (Achse A bzw. Achse D) veranschaulicht. Wie oben bereits festgestellt, treten einige in Fig. 5 (Achse C) dargestellte Impulse koinzident mit Impulsen gemäß Fig. 5 (Achse D) auf. Diejenigen Impulse, die koinzident auftreten, treten im Ausgangssignal des UND-Gliedes 146 auf. Diese Impulse sind in Fig. 5 (Achse 3) als Pi(^d), P2(d.) und P3t^d) bezeichnet. Diese koinzident auftretenden Impulse sind die Ausgangsimpulse der Komponente 107 und damit der Signalgewinnungsschaltung 102.

Damit dürfte ersichtlich sein, daß mit Hilfe der Komponente 107 die Instrumentalschritte 3 und 4 ausgeführt sind. Dabei ist das Signal M(t)_}wie es in Fig. 5 (Achse C) veranschaulicht ist, in das in Fig. 5 (Achse U) veranschaulichte Signal S(t-T) transformiert worden. Das zuletzt erwähnte Signal liefert die Größen ^1, "A 2, ^\3, etc, die die Information darstellen, die zu erhalten erwünscht war«, Es sei daran erinnert, daß das Signal S(t-T)

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durch eine Folge von Impulsen dargestellt ist, wie dies in Fig. 5 (Achse E) dargestellt ist. Diese Impulse werden dem Zeit-Amplituden-Umsetzer 115 zugeführt, um an dessen Ausgang Signale verschiedener Größe, wie /\ 1, λ 2, Λ 3, etc. zu erzeugen. Diese Signale charakterisieren die Zeitspannen zwischen dem Auftreten der Impulse. Diese Signale werden ihrerseits der ReziprokMldungsschaltung 118 gemäß Fig. 4 zugeführt und durch diese Schaltung in andere Reziproksignale umgesetzt, welche die Größen 1/^1, 1//12 bzw. 1//\3 besitzen. Diese reziproken Signale werden mit Hilfe des Aufzeichnungsgerätes 120 gemäß Fig. 4 aufgezeichnet. 3s dürfte ersichtlich sein, daß die Größen 1/λΙ, 1//I2 und 1/^3 kennzeichnend sind für die Intensität der Radioaktivität von Formationen, die mit Hilfe der Fühlereinheit 30 in verschiedenen Tiefen des Bohrlochs ermittelt worden ist.

Im vorstehenden ist eine Geräteeinrichtung beschrieben worden, mit deren Hilfe Verknüpfungsschritte ausgeführt werden, die von der Funktion F(t) zu einer Funktion S(t-T) führen. Diese Schritte sind dadurch ausgeführt worden, daß diese Funktionen in einer analogen (nicht digitalen) Form dargestellt worden sind. Sofern erwünscht, kann alternativ dazu der gesamte Prozeß auch digitalisiert werden, wie dies schematisch durch Fig. 8 veranschaulicht ist. Gemäß Fig. 8 wird das Ausgangssignal des Druckwandlers 100 einem Analog-Digital-Umsetzer 103 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem Digital-Rechner 104 zugeführt wird. Die in Fig. 8 angedeuteten Operationen werden durch die mit 122, 123, 124, 125 und 126 in dem Digital-Rechner 104 bezeichneten Elemente ausgeführt. Von einem Impulsgenerator 111 oder 140 werden Zeitsteuersignale dem Digital-Rechner 104 zugeführt, um die Verzögerungszeiten in Übereinstimmung mit der Pumpendrehzahl zu steuern. Die Operationen, die innerhalb des in Fig. 8

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- sr-

durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Rechtecks ausgeführt werden, sind sequentiell ablaufende mathematische Operationen, die in einem Flußdiagramm erfaßt werden können. Das Ausgangssignal des Rechners 104 wird einem Digital-Analog-Umsetzer 127 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem Aufzeichnungsgerät 120 zugeführt wird.

In Fig. 9 ist eine Anordnung dargestellt, die in gewisser Hinsicht der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ähnlich ist. Dabei sind jedoch die zu erzielenden und aufzuzeichnenden Daten die Temperatur an den Stellen der Fühlereinheit 30 gemäß Fig. 1. Gemäß Fig. 9 liegen diese Daten, wie sie der Signalgewinnungsschaltung zugeführt werden, in digitaler Form vor (siehe Fig. 3D). Die Signalgewinnungsschaltung 102 gemäß Fig. 9 stimmt mit der in Fig. 4 dargestellten Signalgewinnungsschaltung überein, wenn man davon absieht, daß der Zeit-Amplituden- Umsetzer 115 und die Reziprokbildungsschaltung 118 gemäß Fig. 4 durch einen Digital-Analog-Umsetzer 141 ersetzt sind. Die Ausgangssignale eines geeigneten Impulsgenerators werden dem Steueranschluß 110 der Signalgewinnungsschaltung 102 zugeführt.

Es ist nicht immer zweckmäßig, eine mechanische Verbindung zu der Schlammpumpe 12 vorzusehen, wie dies durch die Kettenantriebs-Übertragungsanordnung 112 gemäß Fig. 4 veranschaulicht ist. Vielmehr kann eine alternierend arbeitende Einrichtung zur Erzeugung der für die Signalgewinnungsschaltung benötigten Impulse erwünscht sein. In Fig. 10 ist eine derartige alternierend arbeitende Einrichtung dargestellt. Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel wird die Signalgewinnungsschaltung 102 gemäß Fig. 4 an ihrem Anschluß 110 mit Impulsen versorgt, die mit einer Impulsrate von 512 Impulsen pro vollständigem Pumpenhub auftreten. Es dürfte ohne

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weiteres verständlich sein, daß diese Impulsrate genau mit den Pumpenhüben sanchronisiert sein muß. Sämtliche in Fig. 5 angegebenen "Zeitpunkte", -wie T, ti, t2, etc., werden nicht als sogenannte "Realzeitpunkte" bezeichnet; sie stehen vielmehr in direkter Beziehung zur Drehzahl der Schlammpumpe 12, weshalb streng genommen die Zeitpunkte T, ti, t2, etc. nicht in Sekunden oder Minuten, also durch Zeiteinheiten bezeichnet werden sollten, sondern vielmehr durch "Gallonen Schlamm", Wenn gesagt wird, daß an dem Anschluß 110 gemäß Fig. 4 pro Schlammpumpenhub 512 Impulse auftreten, dann ist damit gemeint, daß an dem Anschluß 110 Spannungsimpulse mit einer Frequenz auftreten, die gleich der 512-ten Oberwelle der Pumpenhubfrequenz ist. In Fig. 10 ist veranschaulicht, wie dies ohne eine-mechanische Verbindung mit dem Pumpenschaft erreicht werden kann.

In Fig. 10 ist mit 145 ein spannungsgesteuerter Oszillator bezeichnet, der an seinem Ausgang 110 elektrische Impulse erzeugt, deren Frequenz durch eine Gleichspannung gesteuert wird, die dem -^ingangsanschluß 108 des Oszillators zugeführt wird. Mt dem Bauteil 150 ist ein Binärteiler oder eine Untersetzungsschaltung bezeichnet, die die Frequenz der Impulse untersetzt, die ihrem Eingangsanschluß 116 zugeführt werden. Die Untersetzungsschaltung erzeugt Ausgangsimpulse an ihrem Ausgangsanschluß 117. Diese Ausgangsimpulse besitzen eine Frequenz, die gleich 1/512 der Frequenz der Eingangsimpulse ist. Mit der Komponente 119 ist ein Phasenvergleicher bezeichnet, der zwei Eingangssignale miteinander vergleicht (das eine Eingangssignal stammt von dem Untersetzungsschaltungs-Ausgangsanschluß 117, und .das andere Eingangssignal stammt vom Ausgangsanschluß 130 eines Druckwandlers 100). Der Phasenvergleicher gibt an seinem Ausgangsanschluß 128 eine Spannung ab, die eine Null-Volt-Gleichspannung ist, wenn die Eingangssignale an den

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beiden Eingängen 117 und 130 mit genau der gleichen Phasenlage auftreten. Der Phasenvergleicher gibt ausgangsseitig eine positive Spannung dann ab, wenn das Eingangssignal am Eingangsanschluß 117 dem Eingangssignal am Eingangsanschluß 130 in der Phase voreilt. Der Phasenvergleicher gibt hingegen ausgangsseitig eine negative Gleichspannung dann ab, wenn das Eingangssignal am Eingangsanschluß 117 dem Eingangssignal am Eingangsanschluß 130 in der Phase nacheilt. Eine Batterie 129 liefert an den spannungsgesteuerten Oszillator 145 eine geeignete Vorspannung. Die gerade beschriebene Schaltung 151 i"st als Phasenregelschleife bekannt. Die Arbeitsweise dürfte am besten anhand eines Beispiels erläutert werden. Nimmt man einmal an, daß die Pumpenimpulsfrequenz (Pumpenhubfrequenz) einen Wert von 1 Hz besitzt und daß der spannungsgesteuerte Oszillator Signale mit einer Frequenz von 512 Hz abgibt, so gibt die Untersetzungsschaltung 150 ausgangsseitig ein Signal ab, dessen Frequenz genau 1 Hz beträgt. Das 1—Hz-Signal von der Unt^ersetzungsschaltung 150 und das 1-Hz-Signal von dem Druckwandler 100 werden dann in der Frequenz und Phase genau zueinander passen, und am Ausgangsanschluß 128 des Vergleichers tritt eine Ausgangsspannung von Null Volt auf. Der spannungsgesteuerte Oszillator 145 erzeugt, wenn er von der Batterie 129 her in geeigneter Weise vorgespannt ist, genau 512 Impulse pro Hub.

Nunmehr sei angenommen, daß sich die Drehzahl der Schlammpumpe 12 erhöht» Die Frequenz des am Anschluß auftretenden Signals wird dann etwas höher sein als 1 Hz, d.h. 1 + 41Hz. Der Vergleicher 119 gibt dann am Ausgangsanschluß 128 ein Ausgangssignal ab, das nicht mehr durch eine Gleichspannung von Null Volt gegeben ist, sondern beispielsweise durch eine Spannung von +4 2V.

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Diese geringe Spannungszunähme wird dem spannungsgesteuerten Oszillator 145 am Anschluß 108 zugeführt; sie bewirkt, daß die Frequenz des Oszillators soweit erhöht wird, bis die Nennimpulsrate von 512 Impulsen pro Sekunde auf einen Wert f gesteigert ist, so daß f/512 = 1 + 1 ist.

Damit wird die Frequenz am Anschluß 110 stets genau der Frequenz der Schlammpumpe 12 folgen und stets ein Vielfaches von einem 512tel sein.

Vorstehend sind zwei Anordnungen zur Erzielung von Zeitsteuerimpulsen für die Signalgewinnungsschaltung beschrieben worden (der Impulsgenerator 111 gemäß Fig. und der Phasenregelkreis 151 gemäß Fig. 10). Eine dritte Anordnung, die zur Erzielung derartiger Zeitsteuerimpulse verwendet werden kann, ist in Fig. 11 veranschaulicht. Diese Anordnung basiert auf dem Prinzip der Auto-Korrelation. Gemäß Fig. 11 wird dem Eingangsanschluß 154 eines Korrelators 152 das Ausgangssignal des Druckwandlers 100 zugeführt. Ferner nimmt der Korrelator die Funktion F(t) auf, die das periodische Signal N(t) und die Funktion S(t) enthält, die als eine Zufallsfunktion betrachtet werden kann. Das Ausgangssignal des Druckwandlers 100 wird außerdem dem Eingangsanschluß 101 der Signalgewinnungsschaltung zugeführt. Der Korrelator 152 vermag an seinen Ausgangsanschlüssen die Autokorrelationsfunktion von F(t) zu erzeugen, die gegeben ist durch

0ff(t) = CSCtJ + NCtJ SCt+rJ + NCt+r).l (6)

Der Strich gibt im vorstehend angegebenen Ausdruck die Mittelung über eine geeignete Zeitspanne an. Die Funktion 0ff Ctr) kann wie folgt ausgedrückt werden.

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0_ssCr) = s(t)S(t +τ) (8)

.+t; gut.

Die Funktion 0 (Γ) reicht von Null bis zu irgendeinem Wert von Γ = T ; über T hinaus gilt

0_ff(r) = 0_m (T) (10)

Da 0J_1nCt) periodisch ist, ist auch die Funktion 0^ periodisch; sie besitzt die Periode T. Diese Funktion, die am . Ausgang des Korrelators 152 erhalten wird, wird ihrerseits einer Impuls-Multiplizierschaltung 153 zugeführt, die eine Folge von Zeitsteuerimpulsen ähnlich jenen erzeugt, die von dem Impulsgenerator 111 gemäß Fig. 4 erzeugt werden. Diese Impulse werden dem Eingangsanschluß 110 der Signalgewinnungsschaltung 102 zugeführt. Die Impuls-Multiplizierschaltung 153 multipliziert die Frequenz der Eingangsimpulse mit einem Phasenregelsystem ähnlich dem in Fig. 10 dargestellten System oder durch irgendeine andere herkömmliche Einrichtung. Die übrigen Elemente in Fig. 11 sind die gleichen wie in Fig. 4; eine Ausnahme bildet selbstverständlich der Umstand, daß der Impulsgenerator 111 und seine Kettenantriebsanordnung 112 weggelassen sind.

Es stehen kommerziell verfügbare Apparate auf der Grund*- lage der Autokorrelation zur Verfügung, um ein periodisches Signal aus einem Signalgemisch zu gewinnen, welches ein periodisches Signal und ein zufälliges Signal enthä.lt Csiehe beispielsweise "Statistical Theory of Communications", von Y.W.Lee, John Wiley, New York, I960, Seiten 288 bis 190). Der Korrelator 152 gemäß Fig. 11 kann das Modell 3721A der Firma Hewlett Packard Company, Palo Alto, Californien sein. Der

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Korrelator 152 könnte auch irgendeine Einrichtung der Typen sein, wie sie in folgenden Literaturquellen beschrieben sind:

A.E. Hastings und J.E. Meade "A Device for Computing Correlation Funktions", Review of Scientific Instruments, Vol. 23, 1952, Seiten 347 bis 349; FeE. Brooks, Jr. und H.W. Smith, "A Computer for Correlation Functions", Review of Scientific Instruments, Vol. 23, 1952, Seiten 121 bis 126.

Obwohl vorstehend verschiedene Ausführungsformen der Erfindung erläutert worden sind, dürfte einzusehen sein, daß es ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken möglich ist, eine Vielzahl von Abänderungen und Modifikationen vorzunehmen. So sind als Beispiele Fühler für lediglich zwei Tieflochparameter angegeben worden. Es dürfte jedoch einzusehen sein, daß Fühler für verschiedene andere Tieflochparameter ebenso verwendet werden könnten. Außerdem dürfte einzusehen sein, daß Fühler für eine Vielzahl von Tieflochparametern gleichzeitig verwendet werden kann .. In diesem Fall würden herkömmliche Verfahren angewandt werden (wie das Verfahren der Zeitteilung, das Multiplexverfahren oder dgl.), um die Daten zu verarbeiten, die kennzeichnend sind für die Vielzahl von Parametern.

Venn abweichende oder schräg verlaufende Bohrungen gebohrt werden, werden verschiedentlich eine Turbine oder ein "Schlammotor" verwendet, wie ein sogenannter Dynadrill, wie er von der Firma Smith Industries, Inc., Houston, Texas, hergestellt wird. In einem derartigen Fall wird der Bohrstrang 31 gemäß Fig. 1 durch die Drehscheibe an der Oberfläche nicht gedreht. Die zur Drehung des Bohrmeißels 26 führende Drehwirkung wird vielmehr von einem solchen Schlammotor abgeleitet, der üblicherweise unmittelbar oberhalb des Meißels 26 in dem

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Bohrgestänge enthalten ist, umfassend die Elemente 22, 24, 28 und 30 gemäß Fig. 1. Wird ein derartiger Schlammmotor verwendet, so tritt ein starker Druckabfall über den betreffenden Motor auf, da der betreffende Schlammmotor seine Leistung aus der Schlammströmung ableitet. Dieser starke Druckabfall kann dazu herangezogen werden, die Druckdifferenz zwischen der Innenseite des Bohrgestänges und dem Ringraum .hervorzurufen ·.. In einem solchen Fall braucht ein Bohrmeißel vom "Düsen"-Typ nicht verwendet zu werden.

Das Vorhandensein eines Druckabfalls über dem Schlammmotor fördert lediglich die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage, solange der einen negativen Schlammdruck hervorgerufene Impulsgenerator oberhalb des Schlammmotors angeordnet ist.

Der hier benutzte Ausdruck "Strömungsbegrenzungseinrichtung" trifft sowohl für einen Meißel vom Düsen-Typ als auch für einen Schlamm-Motor oder für beide Einrichtungen zu. Der Ausdruck "Hochdruckzone" bezieht sich auf den Bohrfluiddruck auf der Stromaufwärtsseite der "Strömungsbegrenzungseinrichtung", und der Ausdruck "Niederdruckzone¹¹ bezieht sich auf den Bohrfluiddruck auf der Stromabwärtsseite der "Strömungsbegrenzungseinrichtung".

Es dürfte anzuerkennen sein, daß in gewissen Fällen eine Vielzahl von Schlammpumpen bei einer einzigen Bohranlage verwendet wird und daß diese Pumpen nicht notwendigerweise synchron betrieben werden.

Werden beispielsweise drei Pumpen verwendet, so wäre die periodische Druckkurve gemäß Fig. 5A im praktischen Fall nicht eine einfache periodische Funktion, wie sie

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durch N(t) veranschaulicht ist, sondern sie ergäbe sich vielmehr aus der Summe der drei Komponenten, deren jede eine periodische Funktion ist und überdies ihre eigene bestimmte Periode besitzt.

Durch Verwendung von drei Verzögerungssystemen, (wie in Fig. 6 gezeigt) die jeweils mit ihrer eigenen Pumpe synchronisiert sind, kann die jeweilige periodische Komponente des störenden Schlammimpulsdrucksignals gesondert beseitigt werden. Durch eine geeignete Verbindung wird sodann ein Signal erzeugt, aus dem die störenden Schlammpumpen-Drucksignale beseitigt sind.

Durch die Erfindung sind also verbesserte Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zur Messung von Tiefloch-Parametern in einer Bohrung geschaffen, die in die Erde mit Hilfe einer Vorrichtung gebohrt wird, welche einen Bohrstrang, eine Schlammpumpe zur Umwälzung eines Bohrfluids und eine Strömungsbegrenzungseinrichtung umfaßt, die nahe der Bodenseite des Bohrstrangs derart angeordnet ist, daß ein Druckabfall zwischen der Strömungsbegrenzungseinrichtung und einem Bohrloch-Ringraum hervorgerufen wird, der den Bohrstrang umgibt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfassen die Verbesserungen den Einsatz von Bohrloch-Impulseinrichtungen zur Erzeugung negativer Schlammdruckimpulse, die dazu herangezogen werden, eine die Bohrloch- bzw. Tieflochparameter betreffende Information zu einer oberirdischen Anlage hin zu übertragen. Die verbesserte Bohrloch-Impulseinrichtung verwendet eine Ventilanordnung, durch die ein Nebenweg zu der Strömungsbegrenzungseinrichtung in einer solchen Art und Weise geschaffen wird, daß wirksame Impulse bei minimalem elektrischen Energieaufwand effektiv erzeugt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine verbesserte

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Struktur geschaffen, die die Impulseinrichtung umgibt und die zugehörige Bohrlochanordnung aufnimmt. Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung sind verbesserte Verfahren zur Ableitung von negativen Schlammdruckimpulssignalen aus Störsignalen geschaffen, die sich aufgrund von SchlammdruckSchwankungen infolge des Betriebs der Schlammpumpeneinrichtung ergeben. Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung sind verbesserte Gleichstrom-Bohrlochspeisespannungseinrichtungen vorgesehen.

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Claims

DIPL. ING. HEINZ BARDEHLE München,

DIPL₁CHEM-DR₁PETERFuRNISS 2852575

patentanwälte

Aktenzeichen: Unser Zeichen: P 2770

Anmelder:

Patentansprüche

1. System zur Aufzeichnung bzw. Protokollierung von Daten, die beim Bohren in der Erde gewonnen werden, mit zumindest einem Bohrstrang, der in ein Bohrloch hineinragt, mit einer Schlammpumpe, die mit dem oberen Ende des Bohrstranges verbunden ist und die durch den Bohrstrang ein Bohrfluid zirkulieren läßt, und mit einer Strömungsbegrenzungseinrichtung nahe der Bodenseite des Bohrstranges, wobei durch eine Strömungsbegrenzung ein Druckabfall und infolge dieses Druckabfalls eine Hochdruckzone und eine Niederdruckzone mit einer zwischen diesen Zonen sich ausbildenden Druckdifferenz hervorrufbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den betreffenden Zonen ein elektrisch betätigbares Ventil (36) vorgesehen ist, welches aufeinanderfolgend eine Fluidströmung zwischen den betreffenden Zonen zu ermöglichen oder zu unterbinden gestattet, daß eine Kraftabgabeeinrichtung (28) vorgesehen ist, die eine überwiegende Kraft bestimmter Größe in die Öffnungsrichtung in dem Fall abgibt und aufrechterhält, daß sich das Ventil (36) innerhalb des Bereichs zwischen einem nahezu geöffneten Zustand und dem vollständig geöffneten Zustand befindet, daß die Kraftabgabeeinrichtung (28) eine überwiegende Kraft bestimmter Höhe in die Schließrichtung des Ventils in dem Fall abgibt und aufrechterhält, daß das Ventil (36) sich innerhalb des Bereichs zwischen nahezu geschlossenem Zustand und vollständig geschlossenem

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Kanzlei: Herrnstraße 15, München 33

ORIGINAL INSPECTED

Zustand befindet, daß eine Fühleinrichtung (30) nahe der Unterseite des Bohrstranges (22) derart angeordnet ist, daß für die Größe eines Bohrlochparameters charakteristische elektrische Signale erzeugbar sind, und daß eine elektrische Einrichtung (54) vorgesehen ist, die auf das Auftreten der elektrischen Signale hin das Ventil zu betätigen gestattet.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überwiegende Kraft in der Öffnungsrichtung des Ventils in Abhängigkeit von der Größe der Pluidströmung hydraulisch erzeugt wird und daß die überwiegende Kraft in der Schließrichtung des Ventils in Abhängigkeit von der genannten Druckdifferenz erzeugt wird_o

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine überwiegende Kraft in der Öffnungsrichtung des Ventils aufrechterhaltende Kraftabgabeeinrichtung (28) ohne elektrische Energie in dem Fall auskommt, daß sich das Ventil im vollständig geöffneten Zustand befindet, und daß die Kraftabgabeeinrichtung zur Aufrechterhaltung einer überwiegenden Kraft in der Schließrichtung des Ventils in dem Fall ohne eine elektrische Energie auskommt, daß sich das Ventil im vollständig geschlossenen Zustand befindet.

System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftabgabeeinrichtung eine Kraft auf das Ventil während einer Zeitspanne ausübt, die kürzer ist als 100 .ms, wobei das Ventil auf eine solche Betätigung hin vom geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand bzw. vom geschlossenen

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Zustand in den geöffneten Zustand bringbar ist«

System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftabgabeeinrichtung zur Kräftabgabe an das "Ventil eine Hubmagnet-Wicklungseinrichtung umfaßt*

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Hubmägnet-Wicklungseinrichtung eine Ankereinrichtung versehen ist, die mit einem mechanischen Gelenk derart lose gekoppelt ist, daß bei Erregung der Hubmagnet-Wicklungseinrichtung die betreffende Ankereinrichtung eine Bewegung über eine kurze Strecke ausführt, bevor sie ihre Belastung unter Ausführung eines hammerartigen Anschlags aufnimmt.

7. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubmägnet-Wicklungseinrichtung zwei Wicklungen umfaßt, die so geschaltet sind, daß bei Erregung der einen Wicklung eine Kraft in einer ersten Richtung ausübbar ist, während bei Erregung der anderen Wicklung eine Kraft in der zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung ausübbar ist«,

8. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spezialteil mit einer relativ kurzen Länge für die Einbeziehung in das Bohrgestänge vorgesehen ist, daß das betreffende Teil ein Gehäuse trägt, welches das genannte Ventil und die Kraftabgabeeinrichtung umfaßt und das mit Trageinrichtungen versehen ist, die in abhängiger Weise ein rohrförmiges Teil abstützen,

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welches die Fühleinrichtung, eine Instrumentierungseinrichtung und eine Speisespannungseinrichtung enthält, und daß das rohrförmige Teil einen Außendurchmesser solcher Größe besitzt, daß eine Einführung des rohrförmigen Teils innerhalb einer Standard-Bohrhülse ohne nennenswerte Beeinträchtigung des normalen Fluidstroms ermöglicht ist.

9· System zur Aufzeichnung bzw. Protokollierung von Daten, die beim Bohren in der Erde gewonnen werden, mit zumindest einem Bohrstrang, der in ein Bohrloch hineinragt, mit einer Schlammpumpe, die mit dem oberen Ende des Bohrstranges verbunden ist und die durch den Bohrstrang ein Bohrfluid zirkulieren läßt, und mit einer Strömungsbegrenzungseinrichtung nahe der Bodenseite des Bohrstranges, wobei durch eine Strömungsbegrenzung ein Druckabfall und infolge dieses Druckabfalls eine Hochdruckzone und eine Niederdruckzone mit einer zwischen diesen Zonen sich ausbildenden Druckdifferenz hervorrufbar sind, wobei nahe der Bodenseite des Bohrgestänges eine Fühlereinrichtung vorgesehen ist, die für die Größe eines Bohrlochparameters charakteristische elektrische Signale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bohrloch-Impulseinrichtung (28) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von den elektrischen Signalen in dem Bohrfluid Druckimpulsänderungen hervorzurufen vermag,

daß ein Spezialteil (58) mit einer relativ kurzen Länge in dem Bohrgestänge derart enthalten ist, daß es ein Gehäuse (56) trägt, welches die Impulseinrichtung enthält,

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daß das Gehäuse Trageinrichtungen umfaßt, die in abhängiger Weise ein rohrförmiges Teil (62,30,66,64,70) tragen, welches die Fühleinrichtung, eine Instrumentierungseinrichtung und eine Speisespannungseinrichtung enthält,

und daß das rohrförmige Teil einen Außendurchmesser solcher Größe besitzt, daß eine Einführung innerhalb einer Standard-Bohrhülse ohne eine nennenswerte Beeinträchtigung des normalen Fluidstroms ermöglicht ist.

10. System nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil mit einer Zentrierungseinrichtung versehen ist, durch die eine seitliche Bewegung des rohrförmigen Teils in bezug auf die Bohrhülse verhindert ist.

11«, Verfahren zum Betreiben eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei im Zuge des Bohrens in der Erde gewonnene Daten aufgezeichnet bzw. protokolliert werden, wobei ein Bohrfluid durch ein Bohrgestänge mittels einer Pumpeneinrichtung derart hindurchgepumpt wird, daß Druckänderungen in dem betreffenden Bohrfluid erzeugt werden, wobei ein Bohrloch-Parameter nahe der Unterseite des Bohrgestänges ermittelt wird, wobei für die Größe des betreffenden Parameters kennzeichnende Signale erzeugt werden, wobei Druckänderungsimpulse in dem Bohrfluid entsprechend einem Programm erzeugt werden, welches eine bestimmte Beziehung zu den betreffenden Signalen aufweist, wobei die Druckänderungsimpulse den Druckänderungen überlagert werden, wobei an der Erdoberfläche erste

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elektrische Signale erzeugt werden, die kennzeichnend sind für die einander überlagerten Druckänderungen und Druckänderungsimpulse, und wobei die ersten elektrischen Signale mit aufeinanderfolgenden Impulsen versehen werden, dadurch gekennzeichnet, daß während ausgewählter Zeitspannen Anzeigesignale gewonnen werden, die kennzeichnend sind für das Auftreten einer typischen Schwingung während eines bestimmten ZeitIntervalls,

und daß die betreffenden Anzeigesignale mit den während zumindest eines Teiles des betreffenden Zeitintervalls auftretenden Schwingungen derart verglichen werden, daß weitere elektrische Signale gewonnen we_rden, die ein Maß für die Verschiedenheit zwischen den betreffenden Signalen und Schwingungen .sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als ausgewählte Zeitspannen solche Zeitspannen benutzt werden, die jeweils zwei aufeinanderfolgende Schwingungen umfassen, daß als Anzeigesignal ein Signal verwendet wird, welches kennzeichnend ist für eine der beiden aufeinanderfolgenden Schwingungen, und daß das Anzeigesignal von der anderen Schwingung der beiden aufeinanderfolgenden Schwingungen unter Erzielung des genannten weiteren Signals subtrahiert wird.

13ο System zur Aufzeichnung bzw. Protokollierung von Daten, die beim Bohren in der Erde gewonnen werden, mit zumindest einer Bohrlochanlage, die Einrichtungen zur Ermittelung der Größen von einem oder mehreren Bohrlochparametern umfaßt, und die elektrische Signale erzeugt--, welche kennzeichnend sind für die Größen der betreffenden

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Parameter, mit einer in sich geschlossenen Gleichstrom-Speisespannungsquelle, mit einer Telemetrieeinrichtung zur Übertragung der Signale zur Erdoberfläche und mit einer oberirdisch vorgesehenen Anordnung, die die genannten Signale ermittelt und auf das Auftreten der betreffenden. Signale hin weitere Signale erzeugt und diese weiteren Signale in wenigstens eine Anzeige umsetzt, die kennzeichnend ist für die Größen des jeweiligen Bohrlochparameters, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschlossene Gleichstrom-Speisespannungsquelle eine Batterie (155) eines solchen Typs enthält, der lediglich bei wesentlich höheren Temperaturen betreibbar ist als bei den oberirdischen Umgebungslufttemperaturen, daß ein stark isolierter Behälter (.157) vorgesehen ist, in dem die Batterie untergebracht ist, und daß eine thermostatisch gesteuerte Wärmequelle (156) vorgesehen ist, die die Temperatur der Batterie innerhalb ihres betriebsfähigen Bereiches hält.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie vom Salz-Schmelze-Typ ist.

15cSystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie eine Lithium-Aluminium-Eisen-Schwefel-Schmelzisalz-Batterie ist.

16. System nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Gleichstrom-Speisespannungsquelle ferner einen kleinen Generator enthält, der die Batterie geladen hält.

17. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

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— ö —

daß die abgeschlossene Gleichstrom-Speisespannungsquelle ferner einen kleinen durch Schwingungen gespeisten Generator enthält, der die Batterie geladen hält.

18, System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschlossene Gleichstrom-Speisespannungsquelle ferner einen kleinen, durch eine Schlammströmung gespeisten Turbinengenerator enthält, der die Batterie geladen hält.

19· System zur Aufzeichnung bzw. Protokollierung von Daten, die beim Bohren in der Erde gewonnen werden, mit zumindest einer Bohrlochanlage, die Einrichtungen zur Ermittelung der Größen wenigstens eines Bohrlochparameters und Einrichtungen zur Erzeugung von elektrischen Signalen umfaßt, welche kennzeichnend sind für die Größen der betreffenden Parameter, mit einer eine abgeschlossene Gleichstrom-Speisespannungsquelle verwendenden Telemetrieeinrichtung zur Übertragung der Signale zur Erdoberfläche hin und mit einer oberirdisch vorgesehenen Anordnung, die die betreffenden Signale ermittelt und auf das Auftreten derartiger Signale weitere Signale erzeugt und diese weiteren Signale in wenigstens eine Anzeige umsetzt, die kennzeichnend ist für die Größe des jeweiligen Parameters, nach einem der Ansprüche bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschlossene Gleichstrom-Speisespannungsquelle eine in einem druckbeständigen Gehäuse (165) enthaltene Batterie mit einem Fluid-Elektrolyten enthält und daß das Gehäuse (165) innerhalb seines Raumes und außerhalb der betreffenden Batterie ein Fluid (166) enthält, welches weitgehend

dieselbe Druck-Temperatur-Beziehung wie der betreffende Elektrolyt aufweist.

20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in dem Behälter Freon ist.

21. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in dem Behälter SO₂ ist.

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