DE3031599C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fernmessungs-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Derartige Systeme sind beispielsweise in der DE 28 52 575-A1 offenbart.

Es ist seit langem in der Ölindustrie anerkannt, daß die Erzielung von Daten von einem Tiefloch während des Bohrens eines Schachtes eine wertvolle Information liefern würde, die für die das Bohrwerkzeug bedienende Person von Interesse wäre. Eine derartige Information betrifft das tatsächliche Gewicht des Bohrmeißels, die Neigung und die Richtung bzw. Lagerung des Bohrlochs, die Werkzeugfläche, den Fluiddruck und die Temperatur am Boden des Lochs sowie die Radioaktivität von Substanzen, die den Bohrmeißel umgeben oder diesem ent­ gegentreten. Bei allen diesen Größen handelt es sich um Größen, die für die Bedienperson des Bohrwerkzeugs von Interesse sind. Es ist bereits eine Anzahl von Vorschlägen gemacht worde, um diese Größen während des Bohrens zu messen und zu der Erdoberfläche zu übertragen. Dabei sind ver­ schiedene Übertragungsprinzipien vorgeschlagen worden. In diesem Zusammenhang sei auf die US-Patentschriften 27 87 795, 28 87 298, 40 78 620, 40 01 773, 39 64 556, 39 83 948 und 37 91 043 hingewiesen.

Die vielleicht vielversprechendsten Vorschläge hinsichtlich der praktischen Ermittelung von Größen bestehen darin, eine Signa­ lisierung durch Druckimpulse in dem Bohrfluid vorzunehmen. Es sind bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um einen sogenannten Schlamm-Impulsbetrieb hervorzurufen, und zwar entweder durch eine gesteuerte Verengung des Schlammströmungskreises durch ein Strömungsbegrenzungsventil, welches in geeigneter Weise im Hauptschlammstrom positioniert ist, oder mittels eines Nebenwegventils, welches zwischen der Innenseite des Bohrstrangs (Hochdruckseite) und dem Ringraum um den Bohrstrang (Niederdruckseite) vorgesehen ist.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Schlamm-Druckimpulse mit Hilfe von Ventilen zu erzeugen, die entweder die Schlammströmung innerhalb des Bohrstrangs begrenzen oder die eine gewisse Strömung zu der Niederdruckzone in dem Ringraum um den Bohrstrang herum umleiten. Derartige Ventile arbeiten jedoch notwendigerweise langsam, da sie bei Verwendung auf der Innenseite des Bohrstrangs sehr große Schlammassen steuern müssen und da sie Verwendung zur Steuerung bzw. Regulierung eines Nebenweges aufgrund der sehr hohen Druckdifferenzen notwendigerweise ebenfalls durch ein langsam arbeitendes motorgetriebenes Ventil ge­ bildet sein müssen. Ein derartiges motorgetriebenes Ventil welches beispielsweise zwischen der Innenseite des Bohr­ strangs und dem Ringraum angeordnet ist, erzeugt in Ab­ hängigkeit von einer unter der Oberfläche erfolgenden Messung geringe Abfälle und Anstiege des Schlammdrucks. Diese Werte würden dann anschließend an der Erdoberfläche ermittelt werden.

Um die Arbeitsweise eines langsam arbeitenden motorgetrie­ benen Ventils vollständig zu verstehen, wie es nach dem Stand der Technik vorgeschlagen worden ist, sei zunächst auf Fig. 1A Bezug genommen, in der das Öffnen und Schließen eines derartigen Ventils in Abhängigkeit von der Zeit ver­ anschaulicht ist. Aus Fig. 1A geht dabei speziell hervor, daß in der Abszissenrichtung die Zeit t aufgetragen ist und daß in der Ordinatenrichtung der Öffnungsgrad des Ventils R angegeben ist. Dabei gilt folgende Beziehung

wobei S₀ die gesamte Öffnungsfläche und S(t) die Fläche bedeuten, die zum Zeitpunkt t während des Öffnungs- oder Schließungsvorgangs des Ventils geöffnet ist. Wenn R=0 ist, ist somit das Ventil geschlossen worden, und wenn R=1 ist, ist das Ventil vollständig geöffnet. Die in den Ventilbetrieb einbezogenen Zeitpunkte sind dabei folgende Zeitpunkte:

t_a ^(v)=OA₁ ist der Zeitpunkt, zu dem das Öffnen des Ventils begonnen wird;
t_b ^(v)=OB₁ ist der Zeitpunkt, zu dem das Ventil vollständig geöffnet ist;
t_c ^(v)=₀C₁ ist der Zeitpunkt, zu dem das Schließen des Ventils begonnen wird;
t_d ^(v)=₀D₁ ist der Zeitpunkt, zu dem das Ventil vollständig geschlossen ist.

Für das Zeitintervall gilt:

T_a ^(v) = t_b ^(v) - t_a ^(v) = t_d ^(v) - t_c ^(v) (2)

T_a ^(v) wird als Öffnungs- oder Schließzeit des Ventils" bezeichnet. Das Zeitintervall T_b ^(v) genügt der Beziehung

T_b ^(v) = t_c ^(v) - t_b ^(v) (3)

T_b ^(v) wird als "Zeitspanne der Öffnungsstromung" be­ zeichnet. Damit beträgt die Gesamtzeitspanne der Betätigung des Ventils

T_t ^(v) = 2T_a ^(v) = T_b ^(v) (4)

Bei den obigen Versuchen war T_a ^(v)=1 Sekunde und T_b ^(v)=2 Sekunden. Damit beträgt die gesamte Betätigungszeit des Ventils t_t ^(v)=4 Sekunden. Diese relativ langsamen Öffnungen und Schließungen des Ventils rufen entsprechend langsame Druckabfälle und Druckanstiege des Schlammdrucks an der Erdoberfläche hervor (siehe Fig. 1B). Dabei kann ersehen werden, daß der Schlammdruck von seinem 70 atü (entsprechend 1000 psi) betragenden Nennwert (bei geschlossenem Ventil) auf seinen niedrigsten Wert von ca. 53 atü (entsprechend 750 psi) bei geöffnetem Ventil absinkt. Die mit diesen festgestellten Druck­ änderungen verbundenen Zeitspannen waren folgende:

t_1a ^(s)=OE₁ war die Zeitspanne, zu der der Schlamm­ druck begann, von seinem Nennwert von ca. 70 atü abzufallen;
t_1b ^(s)=OF₁ war der Zeitpunkt, zu dem der Schlammdruck seinen niedrigsten Wert bei ca. 53 atü erreichte und auf diesem Wert gehalten wurde bis zum Zeitpunkt t_1c ^(s)=OB₁;
t_1c ^(s)=OG₁ war der Zeitpunkt zu dem der Schlammdruck begann, anzusteigen;
t_1d ^(s)=OH₁ war der Zeitpunkt, zu dem der Schlammdurck seinen Nennwert von ca. 70 atü erreichte.

Damit nahm der Druck während der Zeitspanne T₁^(s)=t_1b ^(s)-t_1a ^(s) ab, blieb dann während der Zeitspanne T₂^(s)=t_1c ^(s)-t_1b ^(s) konstant und stieg dann von seinem verminderten Wert aus auf den Nennwert während der Zeitspanne T₃^(s)=t_1d ^(s)-t_1c ^(s) an. Damit betrug die Gesamtzeitspanne für die Durchleitung des Schlammstroms durch das Nebenwegventil für eine einzige Ventilbetätigung

T_t ^(s) = T₁^(s) + T₂^(s) + T₃^(s) (5)

Fig. 1A zeigt die bezeichneten Größen, wie t_a ^(v), t_b ^(v), t_c ^(v), t_d ^(v), T_a ^(v), T_b ^(v) und T_t ^(v), wobei das jeweils hoch­ gestellte "v" anzeigt, daß diese Größen sich auf den Betrieb des Ventils befinden, das unterhalb der Erdober­ fläche sich befindet. Demgegenüber sind in Fig. 1B die Größen t_1a ^(s), t_1b ^(s), t_1d ^(s), T₁^(s), T₂^(s), T₃^(s) und T_t ^(s) bezeichnet, wobei das hochgestellte "s" angibt, daß die betreffenden Größen sich auf die Messung an der Erdober­ fläche beziehen. Diese Unterscheidung zwischen den Größen mit hochgestelltem "v" bzw. mit hochgestelltem "s" ist für ein vollständiges Verständis einiger neuer Merk­ male der Erfindung wesentlich. Es ist in diesem Zusammen­ hang wesentlich zu unterscheiden zwischen dem Grund und der Wirkung oder mit anderen Worten ausgedrückt zwischen der im Tiefloch auftretenden Erscheinung, und zwar in der Nähe des Ventils, und den Erscheinungen am Detektor auf der Erdoberfläche.

Ein wesentliches Merkmal der zuvor vorgeschlagenen Anordnung basiert auf folgende Beziehungen:

T₁^(s) = T_a ^(v) (6)

T₂^(s) = T_b ^(v) (7)

T₃^(s) = T_a ^(v) (8)

Diese Beziehungen zeigen, daß die Zeitspanne der Druckab­ nahme und des Druckanstiegs an der Erdoberfläche des Öffnens und des Schließens des Ventils und daß die Zeitspanne, während der der Druck weitgehend konstant war (bei abge­ senktem Pegel) gleich der Zeitspanne war, während der das Ventil vollständig geöffnet war. Mit anderen Worten ausge­ drückt heißt dies, daß die Druckabsenkung und die an­ schließende Druckerhöhung des Schlammdrucks auf der Erd­ oberfläche in exakter Übereinstimmung mit dem Öffnen und Schließen des Ventils steht. Diese Bedingung, die durch die Beziehungen (6), (7) und (8) zum Ausdruck gebracht wird, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als "Betriebsbe­ dingung langsamer Druckänderungen" bezeichnet.

Die Betriebsbedingung bzw. das System der langsamen Druck­ änderung, wie es nach dem Stand der Technik vorgeschlagen worden ist, war nicht geeignet für die telemetrische Messung während der Ausführung von Bohroperationen, und zwar insbesondere in dem Fall, daß mehrere Tieflochpara­ meter gemessen werden bzw. wurden. Bis jetzt wurde ein erster Parameter gemessen, codiert und nach Übertragung zur Erdoberfläche hin decodiert. Die Schachtbohrung kann abgesenkt worden sein, und ein zweiter Parameter kann für die Messung nicht länger zur Verfügung stehen. Dabei waren überdies relativ lange Zeitspannen erforderlich, um die gemessenen Daten in eine Form umzusetzen, die für die Ermittlung und Aufzeichnung geeignet ist. Der gesamte Aufzeichnungsprozess war relativ lang und zeitraubend. Darüber hinaus haben verschiedene Störeffekte, wie ein auf die Schlammpumpe zurückgehender Impulsbetrieb oder eine mit verschiedenen Bohroperationen verbundene Störung zu­ sätzlich Schwierigkeiten hervorgerufen. Ein langsam be­ triebenes motorbetätigtes Ventil, wie es nach dem Stand der Technik vorgeschlagen worden ist, wird als unzuläng­ liche Einrichtung angesehen, um die üblichen kommerziellen Forderungen zu erfüllen.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie ein besonders wirksames und sicheres Datenerfassungssystem und Verfahren geschaffen werden kann.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen erfaßte Erfindung.

Gemäß der Erfindung werden hydraulische Stoßwellen für die Erzielung einer telemetrischen Aufzeichnungsinforma­ tion während der Durchführung des Bohrens benutzt. Diese Stoßwellen werden durch ein sehr schnell wirkendes (für alle praktischen Zwecke nahezu augenblicklich wirkendes) Nebenschlußventil hervorgerufen, welches zwischen der Innenseite des Bohrstranges und dem den Bohrstrang um­ gebenden Ringraum eingefügt ist. Wenn das Nebenschlußventil bzw. Umleitventil plötzlich öffnet, sinkt der Druck in der unmittelbaren Nähe des Ventils ab und kehrt dann nahezu augenblicklich zu seinem Normalwert zurück. Dadurch wird ein scharfer negativer Impuls erzeugt. Wenn demgegenüber das Nebenschlußventil plötzlich schließt, wird ein scharfer postitiver Impuls erzeugt. Die Elastizität der Schlammsäule wird dabei zur Unterstützung bei der Erzeugung und Über­ tragung derartiger Stoßwellen ausgenutzt. Die Eigenschaft ist dabei analog dem an sich bekannten Wasserstoßeffekt, der mit den bisherigen hydraulischen Übertragungssystemen verknüpft ist. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf das Buch "Water Hammer Analysis" von John Parmakian, Prentice Hall, Inc., New York, 1955 bzw. auf das Buch "Hydraulic Transients" von V.L. Streeter und E.B. Wylie, McGraw-Hill Book Co., New York hingewiesen.

Wesentliche Merkmale der vorliegenden Erfindung, wie die Erzeugung und Ermittlung von hydraulischen Stoßwellen sind schematisch anhand der Fig. 2A und 2B veranschaulicht. Die Kurvendarstellung gemäß Fig. 2A veranschaulicht dabei die Öffnungen und Schließungen eines schnell wirkenden, Stoß­ wellen erzeugenden Ventils. Die Kurve gemäß Fig. 2B veran­ schaulicht Druckänderungen, die an der Erdoberfläche er­ mittelt werden und die sich aus dem Betrieb des Ventils gemäß Fig. 2A ergeben. Die Größen A₁, B₁, C₁, D₁, t_a ^(v), t_b ^(v), t_c ^(v), t_d ^(v), T_a ^(v), T_b ^(v) und T_t ^(v) gemäß Fig. 2A haben eine entsprechende Bedeutung wie die mit ihnen überein­ stimmenden Symbole gemäß Fig. 1A. Die Zeitmaßstäbe sind jedoch in Fig. 1A, 1B, 2A und 2B wesentlich verzerrt, und zwar zum Zwecke der Erleichterung der Beschreibung und im Interesse einer klareren Erläuterung.

Der erste Punkt, auf den bei der Betrachtung der Fig. 2A hingewiesen sein sollte, ist die Tatsache, daß die Öffnungs- und Schließungszeiten des Ventils gemäß der Erfindung um mehrere Größenordnungen kürzer sind als die entsprechenden Zeiten, die mit Hilfe des motorbetriebenen Ventils erzielt werden, wie es im Zusammenhang mit Fig. 1A angegeben worden ist. Bei der zuvor vorgeschlagenen Anordnung (wie in Fig. 1A) betrug die Zeitspanne T_a ^(v)=1 Sekunde, während bei der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 2A die Zeitspanne T_a ^(v)=5 ms beträgt. Eine entsprechende Situation trifft auch für die Zeitspanne zu, während der ein Ventil offen bleibt. Bei der zuvor vorgeschlagenen Anordnung (wie in Fig. 1A) betrug die Zeitspanne T_b ^(v)=2 s, während bei der Anordnung gemäß Fig. 2A die Zeitspanne T_b ^(v)=100 ms beträgt. Damit können für sämtliche praktischen Zwecke die Öffnungen und Schließungen des Ventils gemäß Fig. 2A als augenblickliche oder nahezu augenblickliche Vorgänge betrachtet werden.

Die schnellen oder nahezu augenblicklichen Öffnungen und Schließungen des Ventils haben eine Bedeutung und einen weitreichenden Einfluß auf die Leistungsfähigkeit eines Telemetriesystems bei einer Messung während der Aus­ führung eines Bohrvorgangs. Die Druckschwankungen, die auf der Erdoberfläche gemäß der Erfindung (Fig. 2B) fest­ gestellt werden, zeigen keinerlei wie auch immer liegende Ähnlichkeit zu den Druckschwankungen, die mit Hilfe eines langsam arbeitenden Ventils (Fig. 1B) erzielt werden. Unter Bezugnahme auf die oben bereits aufgeführten Gleichungen (6), (7) und (8) sei angemerkt, daß diese Gleichungen die Be­ ziehungen zwischen den Ereignissen veranschaulichen, die in Fig. 1A und in Fig. 1B gezeigt sind. Analoge Beziehungen existieren zwischen den Ereignissen gemäß Fig. 2A und gemäß Fig. 2B nicht.

Wie in Fig. 1A und 1B gezeigt, hat das Öffnen des Ventils einen entsprechenden Druckabfall im Schlammdruck an der Erdoberfläche hervorgerufen, und in entsprechender Weise hat das Schließen des Ventils einen entsprechenden Druck­ anstieg hervorgerufen.

Der Klarheit halber sei nochmals darauf hingewiesen, daß der Stand der Technik zu einem einzigen Vorgang führt, nämlich zu einem Druckabfall, und daß das anschließende Schließen des Ventils zu einem weiteren einzelnen Vorgang führt, nämlich zu einem Druckanstieg. Demgegenüber ruft das schnelle Öffnen des Ventils, wie dies aus Fig. 2A hervorgeht, zwei Vorgänge hervor: einen schnellen Druck­ abfall und anschließenden Druckanstieg (negativer Impuls "M", wie in Fig. 2B gezeigt). Dies steht im Gegensatz zu dem in Fig. 1A und 1B veranschaulichten Fall, bei dem ein Öffnen und ein nachfolgendes Schließen des Ventils erfor­ derlich ist, um einen Druckabfall und einen anschließenden Druckanstieg hervorzurufen. Darüber hinaus ruft das schnelle Schließen des Ventils, wie dies aus Fig. 2A hervorgeht, einen Druckanstieg und einen anschließenden Druckabfall des Schlammdrucks hervor (positiver Impuls "N", wie er in Fig. 2B veranschaulicht ist). Ein derartiger Druckanstieg und an­ schließender Druckabfall tritt hingegen bei den durch den Stand der Technik vorgeschlagenen Anordnungen nicht auf. Demgemäß werden gemäß der Erfindung zwei Stoßwellen durch einen einzigen Ventilbetrieb hervorgerufen. Eine Signal­ welle, wie sie in Fig. 2B veranschaulicht ist, und die sowohl einen negativen Impuls als auch einen positiven Impuls umfaßt, wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als "Ventilsignalwelle" bezeichnet. Die mit einer Ventil­ signalwelle verbundenen Druckimpulse weisen eine Anstiegs­ rate von mehreren tausend at/s bzw. psi/s bei einer kurzen Dauer auf.

Es ist von Bedeutung, auf die Schnelligkeit der mit den festgestellten Ventilsignalwellen verbundenen Eigenschaften hinzuweisen. Die mit Fig. 2B verknüpften Zeiten bzw. Zeit sind folgende:

t₁^(s)=OK ist die Zeitspanne des Auftretens des nega­ tiven Impulses "M";
t₂^(s) =OL ist die Zeitspanne, während der der negative Impuls "M" abfällt;
t₃^(s)=OM ist die Zeitspanne des Auftretens des positiven Impulses "N";
t₄^(s)=ON ist die Zeitspanne, während der der positive Impuls "N" abfällt.

Die Zeitspanne T_n ^(s), die kennzeichnend ist für die "Länge" des negativen Impulses "M" (oder des positiven Impulses "N") beträgt 100 ms, während die Zeitspanne T_m ^(s) vom Auftreten des negativen Impulses "M" bis zum Auftreten des positiven Impulses "N" 110 ms beträgt. Damit beträgt die Gesamtzeit­ spanne der Strömung, wie dies in Fig. 2B veranschaulicht ist, d. h.

T_u ^(s) = T_n ^(s) + T_m ^(s) (9)

210 ms. Demgegenüber beträgt die Gesamtströmungszeit gemäß Fig. 1B (siehe Gleichung (5) T_t ^(s)=4 s.

Die Kurvendarstellungen in Fig. 1A, 1B, 2A und 2B sind ver­ einfacht und idealisiert worden, indem Welligkeiten und andere störende Effekte weggelassen worden sind. Es sei ferner darauf hingewiesen (siehe Fig. 2B), daß das Nebenweg­ ventil zumindest teilweise geöffnet ist während der Zeit­ spanne von t₁^(s) bis t₄^(s). Während dieser Zeitspanne tritt ein langsamer Druckabfall auf, der am Feststellpunkt durch ein geeignetes Filter eliminiert wird. Ein derartiger Druck­ abfall ist in der Kurvendarstellung gemäß Fig. 2B nicht gezeigt.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die in Verbindung mit Fig. 2A und 2B gegebenen numerischen Werte lediglich als Beispielwerte gegeben sind. Diese Werte sind daher nicht als die Erfindung auf irgendein gegebenes Beispiel be­ schränkend zu interpretieren.

Der Vorgang, wie er in Verbindung mit Fig. 2A und 2B er­ läutert worden ist, wird als "Betrieb von hydraulischen Stoßwellen" bezeichnet werden. Demgemäß wird eine Unter­ scheidung zwischen dem Betrieb von hydraulischen Stoß­ wellen gemäß Fig. 2A und 2B und dem Betrieb von lang­ samen Druckänderungen gemäß Fig. 1A und 1B vorgenommen.

Durch Bereitstellung eines Betriebs mit hydraulischen Stoßwellen steht ein Telemetriesystem zur Verfügung, durch das große Informationsmengen pro Zeiteinheit übertragen werden können. Ein derartiges System ist wesentlich besser geeignet, um die derzeitigen kommerziellen Anforderungen zu erfüllen als das eine System, welches auf dem Betrieb langsamer Druckschwankungen basiert.

Das Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch das Ausgangssignal eines oder mehrerer Fühler bzw. Sensoren gesteuert, durch die ein oder mehrere Tieflochparameter unterhalb der Erdoberfläche nahe des Bohrmeißels ermittelt werden. Dabei wird eine einzige Messung je Parameter durch eine Aufeinanderfolge von Ventilsignalwellen wiedergegeben. Jede Ventilsignalwelle entspricht einer einzigen Öffnung und Schließung des Ventils.

Die Aufeinanderfolge der Ventilsignalwellen (die das aus­ nutzbare Signal darstellen) wird bei Ermittlung an der Erdoberfläche in üblicher Weise mit verschiedenen Stör­ signalen gemischt sein, wie sie durch den Betrieb der Pumpe oder durch andere Bohroperationen hervorgerufen werden. Bei einer typischen Bohranordnung wird eine an der Oberfläche angeordnete große Pumpe dazu benutzt, den Bohrschlamm den Bohrschaft hinunter durch den Bohrmeißel und durch den Ringraum zwischen dem Bohrrohr und der Schacht­ bohrung wieder zurückzupumpen. Die auf die Pumpe zurückgehenden Störeffekte werden bei dieser Erfindung durch einen Vor­ gang eliminiert, der die Periodizität dieser Effekte berück­ sichtigt. Andere mit den Bohrvorgängen verknüpfte Effekte, die üblicherweise als Störsignal auftreten, umfassen ein relativ weites Frequenzspektrum. Dieses Störsignal ist in einigen Fällen ein sogenanntes weißes Rauschen, und in anderen Fällen weicht das betreffende Störsignal erheblich vom weißen Rauschen ab. Ein digitales Filtersystem, bei dem es sich um ein angepaßtes Filter oder um ein Impuls­ formungsfilter oder um ein Impulsspitzenfilter handelt, wird dazu herangezogen, das Störsignal zu beseitigen. Das angepaßte Filter maximiert das Nutzsignal-Störsignal-Ver­ hältnis an dem Empfangs- bzw. Aufnahmepunkt. Ein Impuls­ formungsfilter minimiert die mittlere quadratische Ab­ weichung zwischen einem gewünschten Ausgangssignal und dem tatsächlichen Ausgangssignal, während ein Impulsspitzen­ filter das brauchbare Signal dadurch transformiert, daß es das betreffende Signal in ein Signal zusammendrängt, welches hinreichend scharf ausgebildet ist, so daß es vom Hinter­ grundrauschen unterschieden werden kann. Ein spezielles Verfahren wird dabei dazu angewandt, dieses Filter an die Ziele dieser Erfindung anzupassen. Ein derartiges Verfahren erfordert eine Speicherung und die anschließende Wiedergabe von zwei Bezugssignalen. Das erste Bezugssignal ist eine Signalwelle, die durch das Öffnen und Schließen des Ventils erzeugt wird, und das zweite Bezugssignal stellt das Rauschen bzw. die Störung aufgrund der Bohroperationen dar. Die Er­ mittelung und Speicherung des ersten Bezugssignals wird dadurch erzielt, daß das Gewicht auf dem Bohrmeißel wegge­ nommen wird und daß der eigentliche Bohrvorgang aufhört (allerdings unter Beibehaltung der normalen Wirkung der Schlammpumpen). Damit wird ein Signal erhalten, welches frei von Nebengeräuschen ist. Die Ermittlung und Speicherung des zweiten Bezugssignals wird dann vorgenommen, wenn der Bohrvorgang weitergeführt wird, und zwar während einer Zeit­ spanne, während der das Ventil geschlossen ist. Ein ge­ eignetes digitales Rechensystem ist dabei so ausgelegt, daß es die Daten aufnimmt, die kennzeichnend sind für zu­ mindest eines der Bezugssignale. Das betreffende Rechen­ system leitet aus den Daten eine Speicherfunktion für das angepaßte Filter, für das Impulsformungsfilter oder für das Impulsspitzenfilter ab.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft Ver­ besserungen bezüglich der bistabilen Wirkung einer Ventil­ anordnung 40 eines speziellen Telemetriewerkzeugs 50. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Schaffung einer speziellen hydraulisch betätigten mechanischen Anordnung, die periodisch das Ventil 40 zwangsweise in die ge­ schlossene Stellung bewegt. Darüber hinaus ist ein elektrisches System vorgesehen, welches den Betrieb des betreffenden Ventils 40 in dem Fall sperrt, daß ein elektri­ scher Ausfall bzw. Fehler in der Tieflochanordnung vorhanden ist.

Weitere Aspekte der Erfindung betreffen Verbesserungen bezüglich einer Spannungsversorgungseinrichtung 95 und einer Kraftantriebseinrichtung 104 des speziellen Tele­ metriewerkzeugs 50. Derartige Verbesserungen dienen dazu, die Anzahl zufriedenstellender Ventilbetätigungen stark zu erhöhen, die ohne eine Tiefloch-Batteriewiederaufladung oder -Ersetzung erzielbar sind.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft Verbesserungen hinsichtlich Impulszeitcodes, wodurch lediglich kurze Impulse von nahezu konstanter Dauer übertragen werden. Die Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen stellen dabei Maße für die Größe des relevanten Parameters dar. Darüber hinaus ist ein System bereitge­ stellt, durch das die Präzision und Genauigkeit bei der Übertragung und Ermittlung von Schlammdruckimpulsen ge­ steigert sind, die bei der Tieflochanordnung erzeugt werden. Dieses System umfaßt die Erzeugung von Druckimpulsen bei der Tieflochanordnung und die Übertragung einer Gruppe von zumindest drei in ungleichen Abständen voneinander ent­ fernten Schlammdruckimpulsen für jede einen einzigen Impuls führende Information. Ferner ist eine geeignete Anordnung an der Oberfläche geschaffen, um die übertragenen Impuls­ gruppen zu ermitteln und umzusetzen.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1A, 1B, 2A und 2B zeigen Kurvenverläufe, die sich einerseits auf den Stand der Technik und andererseits auf die vorliegende Erfindung beziehen.

Fig. 1A veranschaulicht dabei schematisch die Arbeitsweise eines langsam arbeitenden Ventils, wie es nach dem Stand der Technik vorgeschlagen worden ist.

Fig. 1B zeigt schematisch den Verlauf von Druckschwankungen, die an der Erdoberfläche festgestellt worden sind und die sich aus dem in Fig. 1A angedeuteten Betrieb eines Ventils ergeben. Dabei veranschaulichen die Fig. 1A und 1B einen Zustand, der im vorliegenden Rahmen als "Betrieb bei lang­ samen Druckschwankungen" bezeichnet wird.

Fig. 2A veranschaulicht schematisch die Arbeitsweise eines schnell arbeitenden Ventils gemäß der Erfindung.

Fig. 2B veranschaulicht schematisch den Verlauf von Druck­ schwankungen, die an der Erdoberfläche ermittelt werden und die sich aus der aus Fig. 2A ersichtlichen Arbeitsweise eines Ventils ergeben. Dabei veranschaulichen die Fig. 2A und 2B einen Zustand, der hier als "Betrieb mit hydrauli­ schen Stoßwellen" bezeichnet wird.

Fig. 3 zeigt schematisch und generell ein Schachtbohrsystem, welches so ausgelegt ist, daß es gleichzeitig eine Bohrung und Messungen gemäß einigen Aspekten der Erfindung ausführt.

Fig. 4A zeigt schematisch einen Teil einer unterhalb der Erdoberfläche befindlichen Anordnung gemäß der Erfindung einschließlich eines speziellen Telemetriewerkzeugs.

Fig. 4B zeigt schematisch einen Teil der Anordnung gemäß Fig. 4A.

Fig. 5A zeigt schematisch und in weiteren Einzelheiten eine elektronische Verarbeitungsanordnung, die innerhalb des durch gestrichelte Linien angedeuteten Rechtecks in Fig. 4A enthalten ist.

Fig. 5B zeigt schematisch ein Speisegerät mit einer Kondensator-Lade- und -Entladeanordnung, die die er­ forderliche Leistung und Energie für die Betätigung des Ventils des speziellen Telemetriewerkzeugs bereitstellt. Fig. 5C zeigt schematisch eine elektronische Schaltungsan­ ordnung, die zur automatischen Abschaltung des Kraftan­ triebs für das Ventil des speziellen Telemetriewerkzeugs herangezogen werden kann.

Fig. 5D und 5E zeigen Kurvenverläufe, anhand derer die automatische Abschaltung zum Zwecke der Signalisierung für den Ventil-Kraftantrieb erläutert wird.

Fig. 6A, 6B und 6C veranschaulichen schematisch die Arbeitsweise des hydraulischen "Selbstschließens" des Signalisierungsventils.

Fig. 6D zeigt eine Schnittansicht der in Fig. 6A, 6B und 6C dargestellten Anordnung.

Fig. 6E zeigt schematisch eine elektronische "ausfall­ sichere" Anordnung, die für das Signalisierungsventil anwendbar ist.

Fig. 7A zeigt schematisch eine "Unter"- und Gehäusean­ ordnung für das spezielle Telemetriewerkzeug.

Fig. 7B zeigt schematisch die Querschnittsform von Zentra­ lisierungseinrichtungen, die in Verbindung mit der An­ ordnung gemäß Fig. 7A verwendet werden können.

Fig. 7C zeigt schematisch spezielle Verbindungseinrich­ tungen, die zur Verbindung der Unterbereiche des Gehäuse­ teils gemäß Fig. 7A verwendet werden können.

Fig. 8A bis 8E veranschaulichen anhand von Kurvenver­ läufen Druckschwankungen des an der Erdoberfläche ge­ messenen Drucks, wobei die betreffenden Druckschwankungen verschiedenen Werten von T_a ^(v) (Öffnungs- oder Schließungs­ zeiten eines Ventils) und von T_b ^(v) (Zeit der offenen Strömung) entsprechen. Die betreffenden Kurven veran­ schaulichen die Ergebnisse von gewissen Tests, die durch­ geführt worden sind, um die optimale Bedingung für einen Betrieb mit hydraulischen Stoßwellen zu erzielen.

Fig. 8A entspricht dabei dem Fall, daß T_a ^(v)=1 s und T_b ^(v)=2 s sind.

Fig. 8B entspricht dem Fall, daß T_a ^(v)=200 ms und T_b ^(v)=1 s sind.

Fig. 8C entspricht dem Fall, daß T_a ^(v)=60 ms und T_b ^(v)=0,5 s sind.

Fig. 8D entspricht dem Fall, daß T_a ^(v)=20 ms und T_b ^(v)=0,25 s sind.

Fig. 8E entspricht dem Fall, daß T_a ^(v)=5 ms und T_b ^(v)=10^-1 s sind.

Fig. 8F zeigt eine exakte Wiedergabe des Drucksignals, unter Veranschaulichung einer Ventilsignalwelle, wie sie an der Erdoberfläche aus einer Tiefe von ca. 2987 m (entsprechend 9800 Fuß) bei einer tatsächlichen Ölbohrung aufgenommen worden ist, wie sie in Ost-Texas niederge­ bracht worden ist.

Fig. 9 zeigt schematisch eine typische auf der Erdober­ fläche vorgesehene Anlage, die in Verbindung mit einer Tiefloch-Druckimpuls-Signalisierungseinrichtung gemäß der Erfindung verwendbar ist und die ein angepaßtes Filter enthält, um eine Grundstörung bzw. ein Grundgeräusch zu beseitigen, wenn dieses Geräusch durch weißes Rauschen gebildet ist.

Fig. 10A bis 10G veranschaulichen in Kurvenverläufen be­ stimmte Signalwellen und Impulse, wie sie sich mit der Zeit ändern, um die Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 9 zu erläutern. Dabei sind die Zeitachsen der Fig. 10A bis 10C und die Zeitachsen der Fig. 10D bis 10G derart untereinander gelegt, daß man diese Signale und Signalwellen in ihrer zeitlichen Beziehung zueinander vergleichen kann.

Fig. 10A umfaßt dabei drei Kurvendarstellungen, durch die drei Komponenten eines Signals veranschaulicht sind, welches an der Oberseite des Bohrlochs ermittelt wird. Die be­ treffenden Komponenten sind kennzeichnend für ein eine Information tragendes Signal, das Pumpengeräusch oder im Falle der Verwendung von mehreren hintereinander ge­ schalteten Pumpen für die Störung von der Gruppe von Pumpen und dem Grundgeräusch.

Fig. 10B enthält drei Kurvendarstellungen, die ein ver­ zögertes, eine Information tragendes Signal, das ver­ zögerte Pumpengeräusch und das verzögerte Grundgeräusch veranschaulichen. Die Verzögerung beträgt T_p, wodurch die Zeitspanne des Pumpenbetriebs charakterisiert ist (wenn mehrere Pumpen verwendet werden, sind die Druck­ schwankungen zwar nicht sinusförmig, aber dennoch periodisch, da die hintereinander geschalteten Pumpen relativ nahe "in Phase" gehalten sind).

Fig. 10C enthält zwei Kurvendarstellungen, die die Differenzen der entsprechenden Kurvendarstellungen in Fig. 10A und 10B wiedergeben, wobei eine dieser Kurvendarstellungen das Grundgeräusch wiedergibt, während die andere Kurvendar­ stellung ein eine Information tragendes Signal wiedergibt.

Fig. 10D zeigt eine Funktion zur Veranschaulichung des Ausgangssignals eines digitalen Filters oder eines Kreuz­ korrelators bei den Ausführungsformen der Erfindung, wobei die betreffende Funktion weitgehend ähnlich jener ist, die durch das informationstragende Signal gemäß Fig. 10C veran­ schaulicht ist. Das hier benutzte digitale Filter kann ein angepaßtes Filter, ein Impulsformungsfilter oder ein Nadel­ impulsfilter sein.

Fig. 10E zeigt eine ähnliche Funktion wie Fig. 10D, jedoch zeitlich um eine geeignete Zeitspanne verzögert.

Fig. 10F zeigt eine Funktion wie in Fig. 10E, jedoch zeit­ lich umgekehrt.

Fig. 10G ergibt sich aus einem Vergleich der Kurvendar­ stellungen gemäß Fig. 10D und 10F, wobei die Augenblicke veranschaulicht sind, welche den Impulsen entsprechen, die in den betreffenden Kurvendarstellungen koizident auftreten.

Fig. 11 zeigt schematisch bestimmte Operationen, die von einem digitalen Filter ausgeführt werden.

Fig. 12 zeigt schematisch eine Anordnung zur Speicherung eines eine Information tragenden Signals oder zur Speicherung eines Störsignals.

Fig. 13 zeigt schematisch einen Teil der auf der Erd­ oberfläche vorhandenen Anordnung mit einem Korrelator zur Störungsbeseitigung.

Fig. 14 zeigt schematisch einen Teil der auf der Erdober­ fläche vorhandenen Anordnung mit einem angepaßten Filter zur Störungsbeseitigung für den Fall, daß die Störung nicht durch weißes Rauschen gegeben ist.

Fig. 15 zeigt schematisch einen Teil der auf der Erdober­ fläche vorhandenen Anordnung mit einem Impulsformungs­ filter.

Fig. 16 veranschaulicht schematisch gewisse Operationen, die durch ein Impulsformungsfilter ausgeführt werden.

Fig. 17 zeigt schematisch einen Teil der auf der Erdober­ fläche vorhandenen Anordnung mit einem Impulsspitzen­ filter, welches dazu herangezogen wird, eine doppelte Signalwelle in ein entsprechendes Impulsspitzenpaar zu transformieren.

Fig. 18A bis 18F zeigen sechs Wahlmöglichkeiten für eine Impulsspitzenverzögerung bezüglich zweier Impuls­ spitzen, wie sie mittels der Anordnung nach Fig. 17 er­ zeugt werden.

Fig. 19 zeigt schematisch einen Teil der auf der Erdober­ fläche vorhandenen Anordnung mit einem Impulsspitzen- bzw. Nadelimpulsfilter, welches dazu herangezogen wird, eine einzige Ventilsignalwelle in eine entsprechende Impuls­ spitze zu transformieren.

Fig. 20A bis 20F zeigen sechs Wahlmöglichkeiten für eine Impulsspitzenverzögerung bezüglich einer einzigen Impuls­ spitze, wie sie von der Anordnung gemäß Fig. 19 erzeugt wird.

Fig. 21A bis 21C veranschaulichen schematisch gewisse Operationen in Verbindung mit einem Impulsspitzenfilter für verschiedene Zeitverzögerungen.

Fig. 21A entspricht dabei einer gewünschten Impulsspitze zu einem Zeitindex 0.

Fig. 21B entspricht einer gewünschten Impulsspitze zu einem Zeitindex 1.

Fig. 21C entspricht einer gewünschten Impulsspitze zu einem Zeitindex 2.

Fig. 22 zeigt schematisch eine Anordnung zur Bestimmung des Leistungsparameters P eines Impulsspitzenfilters.

Fig. 23 zeigt in einem Kurvenverlauf, wie die Arbeits­ weise des betreffenden Filters sich mit der Impuls­ spitzenverzögerung bei einem Filter mit fester Dauer ändern kann.

Fig. 24 zeigt in einem Kurvenverlauf, wie der Arbeits­ parameter eines Impulsspitzenfilters sich mit der Filter­ länge (oder Speicherdauer) bei einer festliegenden Impuls­ spitzenverzögerung ändern kann.

Fig. 25 zeigt in einem Kurvenverlauf, wie der Leistungs­ parameter eines Impulsspitzenfilters sich mit der Filter­ länge und der Filterzeitverzögerung ändern kann.

Fig. 26A zeigt schematisch ein Impuls-Zeit-Codesystem bekannter Art.

Fig. 26B zeigt schematisch ein Impuls-Zeit-Codesystem gemäß der Erfindung, wobei die Größe des übertragenen Parameters durch das Zeitintervall zwischen aufeinan­ derfolgenden einzelnen kurzen Impulsen übertragen wird, die von weitgehend konstanter zeitlicher Dauer sind.

Fig. 26C veranschaulicht das Impuls-Zeit-Codesystem gemäß Fig. 26B weiter schematisch.

Fig. 26D zeigt schematisch ein Impuls-Zeit-Codesystem des in Fig. 26B und 26C dargestellten Typs, wobei jedoch "Dreiergruppen"-Impulse verwendet werden.

Fig. 27 schematisch in einem Blockdiagramm einen "Codeumsetzer", der eine Anlage ermöglicht, Signale aufzunehmen, die durch zeitlich codierte Dreierimpuls­ gruppen auftreten.

Fig. 28A zeigt schematisch in einem Blockdiagramm den näheren Aufbau einer Schaltungsanordnung einer Auswahl­ einrichtung der in Fig. 27 dargestellten Anordnung.

Fig. 28B, 28C, 28D und 28E zeigen Kurvenverläufe, die der Erläuterung und dem Verständis der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 28A dienen.

Fig. 29 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine Tiefloch-Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Dreier­ impulsgruppen gemäß Fig. 26D.

Fig. 30 zeigt schematisch in einem Diagramm die Prinzipien einer Schaltungsanordnung, die den Impuls-Zeit-Code gemäß der Erfindung bereitstellen kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß miteinander übereinstimmende Bezugszeichen für entsprechende Elemente verwendet worden sind, die in einigen der oben aufgeführten Zeichnungsfiguren dargestellt sind. In derartigen Fällen werden die Beschrei­ bung und die Funktionen der betreffenden Elemente insoweit nicht wiederholt, als es zur Erläuterung der Arbeitsweise der betreffenden Ausführungsformen entbehrlich ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen I. Allgemeine Beschreibung einer Anordnung zur Datenüber­ tragung während des Bohrens

Fig. 3 zeigt eine typische Auslegung einer Anlage, welche die Prinzipien der Erfindung verkörpert. Mit 20 ist dabei ein Standard-Öl-Schachtbohrturm mit einem drehbaren Tisch 21, einer Mitnehmerstange 22, einer Schlauchverbindung 23, einem Standrohr 24, einem Bohrrohr 25 und einer Bohrhülse 26 ge­ zeigt. Eine Schlammpumpe oder Schlammpumpen 27 sowie eine Schlammgrube 28 sind in herkömmlicher Weise miteinander verbunden und liefern den Bohrschlamm unter Druck an das Standrohr. Der mit hohem Druck auftretende Schlamm wird den Bohrstrang nach unten durch das Bohrrohr 25 und die Standard-Bohrhülsen 26 und dann durch das Spezial-Tele­ metriegerät 50 zu dem Bohrmeißel 31 hin gepumpt. Der Bohr­ meißel 31 ist mit den üblichen Bohr-Strahleinrichtungen versehen, wie dies mit 33 schematisch angedeutet ist. Die Durchmesser der Hülsen bzw. Ringe 26 und des Tele­ metriewerkzeugs bzw. -geräts 50 sind dabei groß und außer Verhältnis zu dem Bohrrohr 25 stehend veranschaulicht, um die Mechanismen deutlicher zu veranschaulichen. Der Bohrschlamm zirkuliert nach unten durch den Bohrstrang, wie dies durch Pfeile veranschaulicht ist, und sodann ge­ langt er nach oben durch den Ringraum zwischen dem Bohr­ rohr und der Wandung der Schachtbohrung hinauf. Auf das Erreichen der Erdoberfläche hin wird der Schlamm wieder in die Schlammgrube abgegeben (durch nicht dargestellte Rohre), in der Gesteinsablösungen oder sonstige Schacht­ trümmer sich absetzen können, um weiter gefiltert zu werden, bevor der Schlamm wieder aufgenommen und durch die Schlammpumpe erneut in eine Zirkulation gebracht wird.

Zwischen dem Bohrmeißel 23 und der Bohrhülse 26 befindet sich die Spezial-Telemetriesendeanordnung oder das mit 50 bezeichnete Telemetriegerät. Diese Speziel-Telemetriesende­ anordnung 50 umfaßt ein Gehäuse 250, welches eine Ventil­ anordnung oder einfach ein Ventil 40 sowie eine elektronische Verarbeitungsanordnung 96 und Fühler 101 aufweist. Das Ventil 40 ist so ausgelegt, daß es augenblicklich einen gewissen Anteil des Schlamms von der Innenseite der Bohrhülse in den Ringraum 60 umleitet. Normalerweise (d. h. dann, wenn das Ventil 40 geschlossen ist) muß der Bohrschlamm vollständig durch die Düsen 33 abgegeben werden. Damit verbunden ist ein erheblicher Schlammdruck (der in der Größenordnung von 140 bis 210 at - ent­ sprechend 2000 bis 3000 psi liegt). Dieser Schlammdruck ist in dem als Standrohr bezeichneten Gestellrohr 24 vorhanden. Wenn das Ventil 40 unter der Steuerung eines Fühlers 101 und der elektronischen Verarbeitungsanordnung 96 geöffnet wird, wird ein Teil des Schlamms umgeleitet, wo­ durch der Gesamtwiderstand gegenüber der Strömung augen­ blicklich absinkt. Dadurch kann eine Druckänderung in dem Gestellrohr 24 festgestellt werden. Die elektronische Verarbeitungsanordnung 96 erzeugt eine codierte Folge von elektrischen Impulsen, die kennzeichnend sind für den Parameter, der mittels eines ausgewählten Fühlers 101 gemessen wird. Die entsprechenden Öffnungen und Schließungen des Ventils 40 werden unter Erzielung aufeinanderfolgender entsprechender Druckimpulse in dem Gestellrohr 24 erzeugt.

Mit 51 ist ein Druckwandler bezeichnet, der eine für die Druckänderungen in dem Gestellrohr 24 kennzeichnende elektrische Spannung erzeugt. Das für diese Druck­ änderungen kennzeichnende Signal wird von der elektroni­ schen Anordnung 53 verarbeitet, die für die Aufzeichnung auf einem Aufzeichnungsgerät 54 oder zur Aufzeichnung bzw. Anzeige in irgendeiner anderen Anzeigeanordnung geeignete Signale erzeugt. Der Aufzeichnungsträger des Aufzeichnungs­ gerätes 54 wird durch einen Antrieb angetrieben, der kenn­ zeichnend ist für die Tiefe des Bohrmeißels, und zwar mittels an sich bekannter (hier nicht dargestellter) Ein­ richtungen.

II. Allgemeine Beschreibung des Spezial-Telemetriesenders

Fig. 4A zeigt gewisse Einzelheiten des Spezial-Telemetrie­ senders 50. Bestimmte Einzelheiten sowie weitere Einzel­ heiten sind dabei bereits an anderer Stelle beschrieben worden (DE-OS 28 52 575). Fig. 4A zeigt die einzelnen Anordnungen dabei lediglich schematisch. Bei einem tat­ sächlichen Werkzeug bzw. Gerät ist das Gehäuse 250, welches das Ventil 40, die elektronische Verarbeitungsanordnung 96 und die Fühler 101 umfaßt, in zwei Bereiche 250a und 250b unterteilt, der obere Bereich 250a (oberhalb der gestrichel­ ten Linie 249) enthält die Ventilanordnung 40 und die zuge­ hörigen Mechanismen; der betreffende Bereich weist, wie dies weiter unten noch näher ausgeführt werden wird, einen wesentlich größeren Durchmesser auf als der Bereich 250b.

Der untere Bereich 250b (unterhalb der gestrichelten Linie 249) enthält die elektronische Verarbeitungsan­ ordnung 96, die Fühler 101 und zugehörige Mechanismen. Dieser Bereich weist, wie diese weiter unten noch näher ersichtlich werden wird, einen wesentlich geringeren Durch­ messer auf als der obere Bereich 250a. Wie in Fig. 4A veranschaulicht, zirkuliert der Bohrschlamm an dem Spezial- Telementriegerät 250a, 250b vorbei nach unten (wie durch die Pfeile 65 veranschaulicht), durch die Bohrmeißel­ düse 33 hindurch und dann zurück (wie dies durch die Pfeile 66 veranschaulicht ist) zu der Erdoberfläche in dem Ringraum 60 und zu der Schlammgrube 28 hin, wozu eine nicht näher dargestellte Rohreinrichtung dient. Die Ventil­ anordnung 40 umfaßt einen Ventilkolben 68 und einen Ventil­ sitz 69. Der Ventilkolben und der Ventilsitz sind derart konstruiert, daß die Querschnittsfläche des Verschlusses A etwas größer ist als die Querschnittsfläche B des Aus­ gleichskolbens 70. Wenn der Druck in der Kammer 77 größer ist als der in der Kammer 78, dann wird der Ventilkolben 68 somit nach unten gedrückt. Das Ventil 40 neigt dazu, sich selbst noch fester zu schließen, wenn ein erhöhter Differenz­ druck ausgeübt wird.

Der Fluid-(Schlamm)-Druck in der Kammer 77 ist stets weit­ gehend gleich dem Fluid-(Schlamm)-Druck innerhalb der Bohrhülse, die in Fig. 3 mit 26 und in Fig. 4A mit 50 be­ zeichnet ist, und zwar wegen der Öffnung 77a in der Wand der Anordnung 250. Ein Fluidfilter 77b ist in den Durch­ gang 77a eingefügt, um zu verhindern, daß Feststoffe und Schutt bzw. Abraum in die Kammer 77 eintreten. Wenn das Ventil 40 geschlossen ist, ist der Fluid-(Schlamm)-Druck in der Kammer 78 gleich dem Fluid-(Schlamm)-Druck in dem Ringraum 60. Wenn das Ventil 40 geöffnet ist und wenn die Pumpen laufen, tritt eine Schlammströmung von der Kammer 77 zur Kammer 78 und durch die Durchtrittsöffnung 81 in den Ringraum 60 auf, und zwar mit entsprechenden Durckabfällen.

Ein doppelt wirkendes elektromagnetisches Magnetrelais 79 ist so angeordnet, daß es das Ventil 405 in Abhängigkeit von einem über elektrische Zuführungsleitungen 90 zuge­ führten elektrischen Strom öffnet oder schließt.

Mit P60 sei der Schlammdruck in dem Ringraum 60 bezeichnet, mit P77 sei der Druck in der Kammer 77 bezeichnet, und mit P78 sei der Druck in der Kammer 78 bezeichnet. Wenn das Ventil 40 geschlossen ist, beträgt P78=P60. Wenn die Pumpen 27 laufen und wenn das Ventil 40 "geschlossen" oder nahezu geschlossen ist, ist P77<P78, wodurch der Ventil­ kolben 68 zu dem Ventilsitz 69 hin gedrückt wird. Wenn das Ventil 40 sich im geöffneten Zustand befindet (d. h. in der Zeichnung nach oben bewegt ist), tritt eine Schlammströmung von der Kammer 77 zu dem Ringraum 60 auf. Aufgrund des Strömungswiderstands der Durchlaßsöffnung C (Fig. 4B) gilt die Beziehung P77<P78<P60. Die Kammern 83 und 94 sind mit einem Öl sehr niedriger Viskosität gefüllt (wie es unter der Bezeichnung Dow Corning 200 Fluid erhältlich ist, vorzugsweise mit einer Viskosität von 5 Centistoke oder weniger), wobei eine Verbindung durch den Durch­ gang 86 vorhanden ist. Ein Schwimmkolben 82 bewirkt dabei, daß der Druck, P83 in der mit Öl gefüllten Kammer 83 stets dem Druck P78 ist. Damit ist stets P78=P83=P84. Wenn das Ventil 40 "geöffnet" ist, da P78=P84 und P77<P84 sind, wird somit das Ventil 40 in die "geöffnete" Stellung durch eine Kraft F = (Fläche B) (P77-P84) gedrückt. Das Ventil 40 kann daher als bistabiles Glied bezeichnet wer­ den. Dies bedeutet, daß das Ventil im "geöffneten" Zustand dazu neigt, "geöffnet" zu bleiben. Ist das betreffende Ventil "geschlossen", so zeigt es die Neigung, "geschlos­ sen" zu bleiben. Wenn das Ventil nahezu offen ist, zeigt es überdies die Neigung, sich in den geöffneten Zustand zu bewegen. Ist es hingegen nahezu geschlossen, so zeigt es die Neigung, in den geschlossenen Zustand zu gelangen. Das Ventil 40 kann daher einem Zustand in den anderen Zustand mit relativ geringer Energie umgeschaltet werden.

Die Ventilwirkung kann als mechanisches Äquivalent eines auf dem Gebiet der Elektronik bekannten elektrischen bistabilen Flipflops betrachtet werden.

Fig. 4B zeigt das Ventil 40 im geöffneten Zustand; gemäß Fig. 4A ist das Ventil demgegenüber geschlossen.

Zurückkommend auf Fig. 4A sei bemerkt, daß mit 91 ein elektrischer "Druckschalter" bezeichnet ist, der dann elektrisch leitend ist, wenn P77<P78 gilt (Pumpe läuft), und der elektrisch nichtleitend ist, wenn P77=P78 gilt (Pumpen abgeschaltet - kein Pumpenlauf). Der von dem Druckschalter 91 zu dem Speisegerät 93 hin verlaufende Draht 92 kann daher die Spannungsversorgung ein- oder ausschalten. Mittels eines elektronischen Zählers 94 und eines elektromagnetischen Folgeschalters 95 kann irgend­ einer der vier Fühler 101 ferner mit der elektronischen Verarbeitungsanordnung 96 wirksam verbunden sein, indem die Schlammpumpen 27 sequentiell stillgesetzt bzw. in Betrieb gesetzt werden oder indem die Pumpen in Überein­ stimmung mit einem bestimmten Code stillgesetzt bzw. in Betrieb gesetzt werden, der durch die Schaltungsanordnung in dem Element 94 ausgewertet bzw. interpretiert werden kann.

III. Beschreibung des elektronischen Verarbeitungs­ anordnungsteiles des Spezial-Telemetriegerätes

Vorstehend ist die Arbeitsweise des bistabilen Ventils 40 und des Folgeschalters 95 beschrieben worden, der die selektiven elektrischen Verbindungen der verschiedenen Füh­ ler 101 zu der elektronischen Verarbeitungsanordnung 96 herstellt.

Bezüglich weiterer Einzelheiten der elektronischen Verar­ beitungsanordnung 96 sei auf Fig. 5A Bezug genommen, in der entsprechende Bezugszeichen verwendet sind wie in Fig. 4A.

Es sind bereits verschiedene Arten von Fühlern bekannt, die elektrische Signale erzeugen, welche kennzeichnend sind für einen Tieflochparameter. Beispiele sind Gammastrahlen­ fühler, Temperaturfühler, Druckfühler, Gasgehaltfühler, magnetische Kompasse, Dehnungsmeß-Neigungsmesser, Magneto­ meter, Gyro-Kompasse und viele weitere Meßgeräte. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5A ist ein Gammastrahlenfühler, wie eine Ionisationskammer oder ein Geigerzähler oder ein Scintillationszähler verwendet worden (und zwar mit der in Frage kommenden elektronischen Schaltungsanordnung). Alle diese Meßgeräte können derart angeordnet sein, daß eine Gleichspannung erzeugt wird, die dem Gammastrahlungsfluß proportional ist, der von dem Fühler aufgefangen wird.

Es dürfte einzusehen sein, daß das Umschalten von einem Fühlertyp zu einem anderen Fühlertyp, was mittels des Schaltmechanismus 95 gemäß Fig. 4A erfolgt, an sich bekannt ist (in den meisten Fällen wird eine elektronische Umschal­ tung bevorzugt anstelle des dargestellten mechanischen Schalters). Demgemäß ist in Fig. 5A aus Gründen der klareren Beschreibung lediglich ein einziger Fühler 101 gezeigt. Außerdem sind die Speisequelle 93 und der durch einen Schlammdruck betätigte Schalter 91 gemäß Fig. 4A in Fig. 5A nicht dargestellt.

Gemäß Fig. 5A ist der Fühler 101 mit einem Analog/Digital- Wandler 102, einen Prozessor 103 und einem Kraftantrieb 104 in Reihe geschaltet. Der Kraftantrieb 104 ist mit den Wicklungen 105 und 106 des doppelt wirkenden Magnetrelais verbunden, welches in Fig. 4A als Magnetrelais 79 be­ zeichnet ist. Der Kraftantrieb 104 kann ähnlich dem in Fig. 3E der vorliegenden Anmeldung gezeigten Antrieb sein. Die Arbeitsweise ist dabei folgende. Der Fühler 101 erzeugt ein elektrisches analoges Ausgangssignal, wie es durch den Kurvenverlauf von 101a in der Kurvendarstellung unmittelbar oberhalb des den Fühler andeutenden Kästchens 101 ver­ anschaulicht ist. Die Kurve zeigt dabei den Verlauf des Fühlerausgangssignals in Abhängigkeit von der Tiefe des Telemetriesenders 50 in dem Bohrloch. Der Analog/Digital- Wandler 102 wandelt das Analog-Signal 101 in eine digitale Form um, indem die Folge der Größe bzw. Amplitude einer großen Anzahl von Ordinatenwerten auf der Kurve 101a ge­ messen und jeder einzelne Ordinatenwert in eine Binärzahl umgesetzt wird, die durch ein Binärwort dargestellt wird. Dieser Prozeß ist an sich bekannt und erfordert hier keine weitere Erläuterung. Es ist jedoch wichtig zu berücksichti­ gen, daß der Kurvenverlauf 101a die Schwankung des Signals des Wandlers in Abhängigkeit von Stunden wiedergeben kann und daß die Kurve 102a einen einzigen Ordinatenwert wieder­ gibt (beispielsweise den Ordinatenwert AB der Kurve 101a). Demgemäß beträgt der Zeitmaßstab in Abszissenrichtung der Kurve 102a Sekunden, und die gesamte Kurve 102a stellt ein binäres 12-Bitwort dar. Tatsächlich stellt das betreffende Binärwort die Dezimalzahl 2649 dar. Demgemäß kennzeichnet jedes 12-Bit-Wort der Kurve 102a einen einzelnen Ordinaten­ wert, wie den Ordinatenwert AB der Kurve 101a. Die übliche binäre Codierung umfaßt Zeitpausen zwischen jedem Binärwort. Nach der Pause wird ein Anfangs- oder Vorzeigerimpuls über­ tragen, um den Beginn des dem Binärwort zugeteilten Zeit­ intervalls anzuzeigen. Dieser Vorzeigerimpuls ist nicht Teil des Binärwortes, sondern er dient lediglich dazu an­ zuzeigen, daß gleich ein Binärwort beginnt. Das Binärwort wird dann übertragen bzw. ausgesendet, wenn eine Anzeige den Ordinatenwert der Kurve 101a liefert. Sodann tritt eine (zeitliche) Pause auf, auf die hin das nächste Binär­ wort folgt, welches kennzeichnend ist für die Größe des nächsten Ordinatenwertes, usw. Diese Vorgänge treten in rascher Folge auf. Die kontinuierliche Kurven 101a ist so­ mit durch eine Reihe von Binärzahlen oder Wörtern darge­ stellt, deren jedes einen einzelnen Punkt auf der Kurve 101a wiedergibt. Es ist von Bedeutung, hier zu verstehen, daß zwischen zwei Binärwörtern stets eine zeitliche Pause vor­ handen ist. Diese Pause (während der keine Signale über­ tragen werden) ist verschiedentlich mehrere Binärwörter lang; die betreffende Pause wird für einen wichtigen Zweck ausgenutzt, auf den weiter unten noch näher eingegangen werden wird. Um eine Decodierung an der Oberfläche zu er­ möglichen, muß der Takt Nr. 1 bzw. die Takteinrichtung Nr. 1 sehr konstant sein (und in Synchronismus mit den entsprechen­ den Takteinrichtungen 212 oder 309 sein, die an der Oberfläche vorhanden sind). Außerdem muß die betreffende Takteinrich­ tung eine Reihe von in gleichen zeitlichen Abständen auf­ einanderfolgenden Impulsen in einer auf dem Gebiet der Elektronik an sich bekannten Art und Weise erzeugen.

Die Kurve 103a gibt ein einzelnes Bit des Binärwortes 102a wieder. Die Abszissenachse unterscheidet sich auch hier erheblich von den vorhergehenden Kurven. Die Zeit bei der Kurve 103a wird in Millisekunden angegeben, da die be­ treffende Kurve lediglich ein einziges Bit wiedergibt. Jedes einzelne Bit wird in zwei elektrische Impulse umge­ setzt, die jeweils eine Zeitdauer von tx aufweisen und die um eine Zeitspanne ty voneinander getrennt sind. Die Kur­ ve 104a stellt eine Nachbildung der Kurve 103a dar, wobei es sich allerdings um Signale handelt, die von dem Kraft­ antrieb bzw. der Leistungssteuerung 104 stark verstärkt sind. Der elektrische Impuls 104b wird an die Magnetrelais­ wicklung 105 abgegeben (bei der es sich um die Ventil- "Offen"-Wicklung handelt), und der elektrische Impuls 104c wird an die Magnetrelaiswicklung 106 abgegeben (bei der es sich um die Ventil "Geschlossen"-Wicklung handelt). Das Ventil 40 gemäß Fig. 4A wird somit durch den Impuls 104b geöffnet und durch den Impuls 104c geschlossen. Damit ver­ bleibt das Ventil 40 im "offenen"-Zustand etwa während der Zeitspanne ty. Die Zeitspanne tx sind so eingestellt, daß sie für die korrekte Betätigung der Magnetreliaswicklungen ge­ eignet sind. Die Zeitspanne ty ist so proportional, daß das Ventil 40 während der korrekten Zeitspanne geöffnet ist. Die betreffenden beiden Zeitspannen sind durch die Takteinrichtung Nr. 2 festgelegt und gesteuert.

Bei der Weiterleitung einer Telemetrieinformation von einem Fühler zur Erdoberfläche werden geeignete Pausen zwischen der Übertragung aufeinanderfolgender Binärwörter vorgesehen. Aufgrund dieser Pausen ist es möglich, in einem geeigneten elektronischen Speicher in der Anlage auf der Erdoberfläche die Störung abzuspeichern, die durch den Bohrvorgang allein hervorgerufen wird (ohne die Signalwelle). Die erforderlichen Anordnungen und Verfahren hierfür werden weiter unten noch näher er­ läutert werden.

IV. Beschreibung der Spannungsversorgung für den Spezial-Telemetriesender

Wie zuvor ausgeführt, muß das Ventil 40 gemäß Fig. 4A ein sehr schnell wirkendes Ventil sein. Um das Ventil schnell zu steuern bzw. anzutreiben, ist eine erhebliche Leistung erforderlich. (Es hat sich als Ergebnis eines geeigneten Test herausgestellt, daß ein derartiges Ventil etwa 1/2 bis 3/4 PS benötigt, um mit der erforderlichen Geschwindigkeit betrieben zu werden).

Obwohl diese Leistung sehr erheblich ist, wird sie jedoch nur sehr kurz aufgewandt, und demgemäß ist lediglich eine geringe Energie pro Operation erforderlich.

Beim tatsächlichen Betrieb während der Durchführung von Tests hat sich gezeigt, daß die Ausübung einer Leistung von 1/2 PS während etwa 40 ms die erforderliche Energie lieferte, um eine zufriedenstellende einzelne Ventilbe­ tätigung hervorzurufen. Diese Energie kann mit etwa 15 Joule berechnet werden. Eine Batteriepackung, die hinreichend klein ist, um innerhalb des Gehäuses 250b gemäß Fig. 7A untergebracht werden zu können, kann etwa 4 Millionen Joule liefern, ohne eine Aufladung oder einen Austausch zu erfordern. Das System ist daher imstande, 130 000 voll­ ständige Ventilbetätigungen (Öffnung zuzüglich Schließung) hervorzurufen). Tatsächlich beträgt der Energieverbrauch weniger als 15 Joule pro Operation. Die Induktivität, das Q und die Bewegungsimpedanz der Magnetrelaiswicklung be­ wirken, daß sich der Strom relativ langsam und mit einem Kurvenanstieg ausbildet, wie dies in der Kurve 272A ge­ mäß Fig. 5C und in den Kurven 300, 301 gemäß Fig. 6E veranschaulicht ist. Demgemäß ist die Gesamtenergie pro Impuls wesentlich geringer als 15 Joule; es sind 9 Joule gemessen worden, was somit eine Möglichkeit von 216 000 vollständigen Ventilbetätigungen mit sich bringt. (Eine noch größere Leistungsfähigkeit wird durch die Ver­ wendung der nachstehend in Verbindung mit Fig. 5C be­ schriebenen Schaltungsanordnung erzielt). Aus den obigen Ausführungen kann ersehen werden, daß die Bereit­ stellung der erforderlichen Tieflochenergie aus Batterien für ein praktisches Telemetriegerät leicht möglich ist. Die Bereitstellung der erforderlichen sehr großen Leistung (1/2 PS) bringt jedoch schwierige Probleme mit sich.

Es war klar, daß die Lösung eines derartigen Problems die Speicherung von Energie in einem Mechanismus ein­ schließen würde, der veranlaßt werden könnte, seine Energie plötzlich (innerhalb einer kurzen Zeitspanne) abzugeben und damit die erforderlichen kurzen leistungs­ starken Impulse bereitzustellen. Ein derartiger Mechanis­ mus war ein "Hammerwirkungs"-Mechanismus, der in dem Ge­ rät verwendet worden ist, wie es bereits an der oben er­ wähnten anderen Stelle beschrieben ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dieser Mechanismus zuweilen unge­ nügend ist. Weitere Mechanismen, die früher in Betracht gezogen worden sind, laufen auf die Ausnutzung von Druckluft, Druckfedern und anderen Elementen hinaus. Kondensator-Energiespeichersysteme erforderten große Kapazitätswerte: Die auf einem Kondensator gespeicherte Energie ändert sich mit der ersten Potenz der Kapazität und dem Quadrat der gespeicherten Spannung. Da eine niedrige Induktivität besitzende, schnell wirkende Magnetrelais-An­ triebswicklungen erforderlich sind, wird die Notwendigkeit nach Niederspannungseinrichtungen offensichtlich. Eine anfängliche Berechnung hat gezeigt, daß unmäßig große Kondensatoren erforderlich wären.

Nach weiterer Abschätzung hat sich gezeigt, daß ein betriebs­ fähiges System möglich sein dürfte. Durch mathematische Untersuchung und durch Experimente und Tests mit festge­ stellt worden, daß folgende Reihe von optimalen Schaltungs­ parametern vorhanden sein sollte bzw. müßte:

• 1. Induktivität der Magnetreliaswicklung: 0,1 H in der betätigten Stellung und 0,07 H in der nicht-betätigten Stellung (d. h. ein sich verjüngender Anker-Relais­ magnet).
• 2. Widerstand der Magnetrelaiswicklung: 4,5 Ohm.
• 3. Spannung, bei der Energie gespeichert wird: 50 V
• 4. Größe des Speicherkondensators: 10 000 mF.
• 5. Stromleistung der Antriebsschaltung: 10 A.

Es ist festgestellt worden, daß zur Erzielung einer schnellen Magnetrealiswirkung Wicklungen niedriger Induktivität wünschenswert sind. Es ist außerdem festge­ stellt worden, daß die Stromleistungen der elektroni­ schen Antriebsschaltungen über 10 A hinaus gesteigert werden können. Eine niedrige Spannung macht jedoch über­ mäßig hohe Kapazitätswerte erforderlich.

Kürzlich erzielte Fortschritte in sogenannten Batterien mit geschmolzenem Salz haben zu Energiequellen von sehr guter Kompaktheit geführt. Dieselbe neuere Technologie hat auch zu Kondensatoren mit extrem hohen Kapazitäts­ werten geführt, wobei 10 F in einem Raum von 1 Kubikzoll erzielt werden. Diese Werte waren jedoch unannehmbar wegen der erforderlichen Erwärmung auf eine hohe Temperatur (500°C), was als unpraktisch gehalten wurde. Die Kosten waren überdies sehr hoch. Demgemäß waren noch weitere Anstrengungen erforderlich. Nach einer vollständigen und langen Untersuchung ist schließlich gefunden worden, daß ein Tantalmassekondensator nach den letzten Entwicklungen die Spezifikationen erfüllen würde, sofern die übrigen oben aufgeführten Parameter und Faktoren optimiert werden, um eine Anpassung an die Eigenschaften derartiger Konden­ satoren zu erzielen. Daraus ergibt sich, daß zumindest 216 000 vollständige Ventilbetätigungen mit einer Batterie­ ladung erzielt werden können. Unter der Annahme, daß das Telemetriesystem angemessene kontinuierliche Daten bereit­ stellen kann, indem fünf Impulse pro Minute übertragen werden, ist das System instande, kontinuierlich in einem Bohrloch während einer Dauer von 440 Stunden zu arbeiten. Es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß die kontinuier­ liche Arbeitsweise häufig nicht erforderlich ist. Das Werk­ zeug bzw. Gerät kann lediglich intermittierend auf Befehl durch die Schaltungsanordnung benutzt werden, die durch den Schalter 91 und die Elemente 94 gemäß Fig. 4A gesteuert wird.

Wenn der Vorteil der verbesserten Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5C ausgesetzt wird, wie dies weiter unten noch näher ersichtlich werden wird, dann kann sogar eine noch größere Anzahl von Ventiloperationen erzielt werden. Eine Operation mit einer Geschwindigkeit von einem Impuls pro Sekunde wird als praktisch erachtet.

Es existiert noch ein weiterer zu bestimmender Parameter; Die richtige bzw. geeignete Wiederaufladung des Kondensa­ tors nach Entladung. Der Kondensator kann über einen Widerstand geladen werden, der mit der Batterie (oder einer anderen Energiequelle) verbunden ist. Dieser Lade­ vorgang erweist sich jedoch zuweilen als langsam, da in dem Fall, daß der Kondensator teilweise geladen ist, der den Widerstand durchfließende Strom abnimmt und am Ende des Ladezyklus der Ladestrom sich an Null annähert. Wenn das ohmsche Wert des Widerstands klein ist, wären Batterien erforderlich, um den übermäßigen Momentanstrom zu führen, da der Anfangsstromimpuls während des Lade­ zyklus den Wert für eine maximale Batterielebendauer überschreiten würde. Die beste Verfahrensweise zum Laden des Kondensators erfolgt über eine Konstantstromeinrich­ tung. Der Kondensator würde dann mit einem optimalen Lade­ strom entsprechend dem optimalen Entladestrom für den bestimmten besonderen Batterietyp unter Erzielung maxi­ maler Energiespeicherung geladen werden. Durch korrekte Bestimmung des Ladestroms kann eine erhebliche Steigerung (zuweilen um einen Faktor von 2 oder 3) in dem Energiebe­ trag erzielt werden, der aus einem vorgegebenen Batterie­ typ verfügbar ist. Die Konstantstromeinrichtungen sind an sich bekannt und ohne weiteres als elektronische integrierte Schaltungen erhältlich. Sie sind überdies für einen weiten Bereich von Stromwerten verfügbar.

In Fig. 5B ist schematisch ein Spannungsversorgungsgerät gezeigt, welches in den Leistungsantrieb bzw. die Leistungsantriebseinrichtung 104 gemäß Fig. 4A einbe­ zogen werden kann. Das Speisegerät umfaßt eine Kondensa­ torlade- und Kondensatorentladeanordnung, durch die die erforderliche Leistung und Energie für die Wicklungen des Magnetrelias 79 bereitgestellt wird. In Fig. 5B ist mit 450 eine Batterie oder ein Turbogenerator oder eine andere Potentialquelle bezeichnet, die einen Gleich­ strom bzw. eine elektrische Gleichspannung bereitstellt. Mit 451 ist eine Konstantstromeinrichtung bezeichnet, und mit 452 ist ein Kondensator bezeichnet. Der Kondensator wird durch die Konstantstromeinrichtung 451 geladen und über die Leitung 453 entladen. Die Leitung 454 liefert die reguläre Dauerleistung, die für die Versorgung der elektronischen Tieflocheinrichtungen erforderlich ist.

V. Beschreibung des hydraulischen "selbstschließenden" Signalisierungsventils

Es ist außerdem eine Anordnung vorgesehen, die bei Ausfall arbeitet, der dann auftritt, wenn das Ventil in einer ge­ öffneten Stellung über eine lange Zeitspanne hinweg "hängen bleibt". Eine derartige Anordnung zum automatischen Schließen des Ventils im Fehlerfalle (was in Fig. 4A mit dem Bezugszeichen 269 bezeichnet ist) ist in Verbindung mit Fig. 6A, 6B und 6C schematisch dargestellt.

Wie bereits früher ausgeführt, ist das Ventil so ausge­ legt, daß es eine hydraulische Rastwirkung oder bistabile Wirkung zeigt. Dies bedeutet, daß das Ventil in dem Fall, daß es durch einen Impuls von der Magnetreliaswicklung 105 her geöffnet ist, dazu zeigt, in geöffnetem Zustand zu bleiben und daß es später, wenn es durch einen Impuls von der Magnetrelaiswicklung 106 her geschlossen wird, die Neigung zeigt, geschlossen zu bleiben. Es ist möglich, daß das Relais mit Rücksicht auf eine elektrische oder mechanische fehlerhafte Funktion in der geöffneten Stellung "hängenbleibt". Es sei darauf hingewiesen, daß in dem Fall, daß ein derartiger fehlerhafter Zustand auf­ tritt, die Bohroperation weitergeführt werden kann. An der Öffnung 81 gemäß Fig. 4A würde dabei jedoch eine ge­ wisse Abnutzung auftreten. Die Störung, die auf die hydraulischen Einrichtungen des Schlammsystems dadurch zur Wirkung gelangen, daß das Ventil während einer langen Zeitspanne geöffnet ist, sind nicht erwünscht. Obwohl der Bohrvorgang fortgesetzt werden kann, ist es vorteilhaft, das Ventil während der längsten Zeitspanne zu schließen und lediglich zu öffnen, um die kurzen Impulse zu er­ zeugen, die für die Erzeugung der hydraulischen Stoß­ welle erforderlich sind.

In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 6A, 6B und 6C wird eine Stange 100 dazu benutzt, das Ventil durch Schubausübung zu schließen, indem eine nach unten ge­ richtete Kraft auf die Stange 80 gemäß Fig. 4B ausgeübt wird (das ist die Magnetrelias-Ankerwelle).

Nunmehr sei auf Fig. 6A, 6B, 6C und 6D Bezug genommen. Das obere Ende des Mechanismus ist für den "Bohrrohr­ schlamm" freigelegt, d. h. für den Schlamm, der unter hydrostatischem Druck steht, zuzüglich der Druckdifferenz über dem Bohrmeißel, das ist die Druckdifferenz zwischen der Innenseite des Gerätes 50 und dem Ringraum 60. Wenn die Pumpen nicht laufen, herrscht in der Zone 111 ledig­ lich der hydrostatische Druck. Wenn die Pumpen hingegen laufen, ist der Druck gegeben durch den hydrostatischen Druck zuzüglich der Druckdifferenz. Da die Druckdifferenz in der Größenordnung von lediglich bis 140 at (ent­ sprechend 1000 bis 2000 psi) liegt, kann eine große Druckänderung in der Zone 111 dann auftreten, wenn die Pumpen in Betrieb gesetzt werden (das bedeutet einen An­ stieg von 70 bis 140 at, entsprechend 1000 bis 2000 psi). Wenn gemäß Fig. 6A die Pumpen nicht laufen, führen die Zonen 112, 113 den Ringeraumdruck, da das Rohr 114 mit der Kammer 84 verbunden ist, welche Öl mit dem Ringraum­ druck enthält (siehe Fig. 4A), und da die Durchgangs­ öffnung 115 die Zonen 112 und 113 miteinander verbindet.

Nunmehr sei angenommen, daß die Pumpen in Betrieb gesetzt werden. Der Druck in der Zone 111 steigt dann erheblich an (d. h. um 70 bis 140 at - entsprechend 1000 bis 2000 psi), wobei der Kolben 116 nach unten gedrückt wird. Dadurch wird die Feder 107 (in Fig. 6B nicht dargestellt) zu­ sammengedrückt. Das unter hohem Druck stehende Öl in der Zone 112 drückt den Kolben 108 nach unten und die Feder 110 (nicht dargestellt) zusammen. Wenn die Pumpen in Betrieb gesetzt sind, ändern somit die Einzelteile gemäß Fig. 6A ihre Lage entsprechend der Konfiguration gemäß Fig. 6B, wobei die beiden Kolben 116 und 108 sich in der unteren Stellung befinden und wobei die Stange 110 nach unten ausgefahren ist, wie dies darge­ stellt ist.

Mit Rücksicht auf das Vorhandensein der Öffnung 115 und aufgrund der Wirkung der Feder 110 wird nunmehr der Kol­ ben 68 nach oben gedrückt, und zwar mit einer Ge­ schwindigkeit, die durch die Größe der Öffnung 115, die Federkonstante der Feder 110 und die Viskosität des Öles in den Zonen 112 und 113 bestimmt ist. Diese Geschwindig­ keit kann ohne weiteres gesteuert und gleich irgendeinem gewünschten Wert gemacht werden. So kann beispielsweise eine solche Geschwindigkeit erreicht werden, daß der Kolben 108 in etwa 1 Minute in eine obere Ausgangs­ stellung zurückkehrt. Nach einer Minute nimmt daher die Anordnung die Konfiguration gemäß Fig. 6C wieder an. Aus den gleichen Gründen werden in dem Fall, daß die Pumpe stillgesetzt wird, die Wirkung der Feder 107 und die Wirkung der Öffnung 115 den Kolben 116 veranlassen, in den Ausgangszustand gemäß Fig. 6A wieder zurückzugehen.

Es dürfte damit ersichtlich sein, daß jedes mal dann, wenn die Schlammpumpe gestartet wird, die Stange 100 sich um die Strecke d gemäß Fig. 6B abwärtsbewegen und dann in die normale zurückgezogene Stellung zurückkehren wird. Da beim normalen Bohren die Pumpe jeweils dann stillgesetzt wird, wenn ein Bohrrohr-Verbindungsteil hinzugefügt wird, folgt daraus, daß jedesmal dann, wenn ein Bohrrohr-Verbindungsteil hinzugefügt wird (welches üblicherweise etwa 9 m lang ist - entsprechend 30 Fuß), die Stange 100 eine einzelne Abwärts-Auslenkung ausführen und sodann in ihre obere Ausgangsstellung zurückkehren wird.

Wie bereits oben ausgeführt, ist die Stange 100 so ausge­ legt, daß dann, wenn sie nach unten ausgefahren ist, die Magnetrelais-Ankerwelle gemäß Fig. 4A nach unten gedrückt wird, wobei das Ventil geschlossen wird. Damit stellt die Einrichtung gemäß Fig. 6A, 6B, 6C und 6D eine "Sicher­ heits"-Einrichtung dar. Dies bedeutet folgendes: Sollte das Ventil in der geöffneten Stellung aufgrund eines elektrischen oder mechaischen Fehlers hängenbleiben, so wird das betreffende Ventil zwangsweise nach maximal etwa 9 m Bohrweg geschlossen.

In Fig. 6D ist eine Schnittansicht der in Fig. 6A, 6B und 6C schematisch dargestellten Einrichtungen gezeigt. Bei der tatsächlichen Anlage ist die in Fig. 6D dargestellte Einrichtung an der Stelle 269 gemäß Fig. 4A untergebracht. Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in Fig. 6D wie in Fig. 6A, 6B, 6C und 4A entsprechende Elemente.

VI. Beschreibung der "fehlersicheren" Elektronik für das Signalisierungsventil

Das in Verbindung mit Fig. 6A, 6B, 6C und 6D beschriebene "selbstschließende" hydraulische System schließt das Ventil automatisch jeweils dann, wenn die Schlammpumpen stillge­ setzt und wieder in Betrieb genommen werden. Auf diese Weise kann jegliches mechanisches Hängenbleiben des Ventils vermieden werden. Es existiert jedoch ein Fall, der be­ sondere Aufmerksamkeit erfordert: Wenn die elektrische "Schließungs"-Schaltungsanordnung 103, 109 gemäß Fig. 5A aus irgendeinem Grunde ausfallen würden (beispielsweise infolge Durchbrennens der Magnetrelaiswicklung), dann würde das Ventil elektrisch wieder geöffnet werden, und zwar kurz nachdem dieses Ventil durch die hydraulische "selbstschließende" Einrichtung geschlossen worden ist.

In Fig. 6E ist ein elektrisches System veranschaulicht, welches den Betrieb des Ventils im Falle eines elektri­ schen Fehlers bzw. Ausfalls der Tieflochvorrichtung sperrt. Mit S1 ist dabei die Wicklung des Magnetrelais bezeichnet, die das Ventil "schließt", und mit S2 ist die Magnetrelais­ wicklung bezeichnet, die das Ventil "öffnet". Ein Wider­ stand R1 ist dabe in Reihe zu demjenigen Teil des Magnet­ reliasantriebs 104 geschaltet, der die "Schließungs"- Magnetreliaswicklung S1 betätigt bzw. ansteuert. Ein Widerstand R2 ist in Reihe zu demjenigen Teil des Magnet­ relaisantriebs 104 geschaltet, der die "Öffnungs"-Magnet­ relaiswicklung S2 steuert. Diese Widerstände weisen sehr niedrige Widerstandswerte (etwa 0,05 bis 0,02 Ohm) auf. Es dürfte einzusehen sein, daß die Arbeitsweise des im einzelnen im Zusammenhang mit Fig. 5A beschriebenen Systems wie folgt abläuft: Der elektrische "Öffnungs"-Stromimpuls wird zuerst erzeugt; er ist schematisch in Fig. 6E als Impuls 300 angedeutet. Der elektrische "Schließungs"-Strom­ impuls wird später erzeugt (nach einer Zeitspanne ty); dieser Impuls ist in Fig. 6E schematisch mit 301 angedeutet. Es sei darauf hingewiesen, daß diese elektrischen Impulse 300 und 301 kennzeichnend sind für den Strom, der durch die Magnetrelaiswicklungen gezogen wird, nicht aber für die Spannung, die angelegt wird (die Widerstände R1 und R2 rufen Spannungsabfälle R1i1 bzw. R2i2 hervor, wobei i1, i2 kennzeichnend sind für die betreffenden Magnetrelais­ wicklungen durchfließenden Ströme); wenn eine der Wick­ lungen S1, S2 durchgebrannt oder unterbrochen ist, wird demgemäß kein Strom durch die betreffende Wicklung fließen, und es wird kein entsprechender Impuls erzeugt werden (in entsprechender Weise wird irgendein anderer elektrischer Fehler keinen Stromfluß durch einen oder beide Widerstände R1, R2 hervorrufen).

Die Länge der Zeitspanne ty gemäß Fig. 6E und die Länge der Zeitspanne tx sind in Verbindung mit Fig. 5A bereits erläutert und definiert worden.

Die Verzögerungsdauer des Verzögerungselementes 302 ist gleich ty. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß der Block 302 an seinem Ausgang einen Impuls erzeugt, der identisch ist mit dem Eingangsimpuls, diesem gegenüber jedoch um die Zeitspanne ty verzögert auftritt. Derartige Verzögerungssysteme sind an sich bekannt und brauchen hier nicht weiter erläutert zu werden.

Da die Verzögerung des Elementes 302 gleich ty ist, wird der mit 303 angedeutete Impuls zeitlich koinzident mit dem Impuls 301 auftreten.

Mit 304 ist eine Anti-Koinzidenzschaltung bezeichnet (die auch als ODER-Glied bekannt ist); diese Schaltung erzeugt an ihrem Ausgang 305 ein elektrisches Signal lediglich dann, wenn einer der Iimpulse 301, 303 ihr aufge­ drückt ist; sie erzeugt hingegen kein Ausgangsimpuls, wenn beide Impulse 301 und 303 vorhanden sind. Mit 306 ist ein Relais bezeichnet, welches durch das am Ausgang bzw. auf der Leitung 305 auftretende Signale erregt wird. Dieses Relais ist so angeordnet, daß es die Spannung von dem Tief­ loch-Gerät abzuschalten gestattet. Wenn somit lediglich ein "Schließungs"-Impuls vorhanden ist (ohne den "Öffnungs"- Impuls) oder wenn lediglich ein "Öffnungs"-Impuls vorhanden ist (ohne den "Schließungs"-Impuls), dann wird die Spannung für den Tiefloch-Kraftantrieb abgeschaltet, wo­ bei sodann eine mechanische Schließung durch das "selbst­ schließende" hydraulische System erfolgt, wie es in Ver­ bindung mit Fig. 6D beschrieben worden ist.

Als alternative Ausführungsform der Anordnung gemäß Fig. 6E kann das Relais 306 (welches selbstverständlich ein Transistoren umfassender elektronischer Schalter sein kann) derart angeordnet sein, daß es die Versorgungs­ spannung lediglich für diejenige Schaltungsanordnung unterbricht, die für das "Öffnungs"-Magnetrelais vorge­ sehen ist. Dies würde gewisse Vorteile mit sich bringen, da die "Schließungs"-Schaltung weiterhin arbeiten würde. Dabei liegt gerade eines der Ziele darin, die "Schließung" des Ventils sicherzustellen. Überdies kann ein elektroni­ scher Zähler 314 zwischen der "ODER"-Schaltung und der Relaisschaltung 306 derart eingefügt sein, daß eine einzelne elektrische Fehlfunktion nicht zur Abschaltung der Versorgungsspannung führt. Die Versorgungsspannung wird dabei erst dann abgeschaltet, wenn beispielsweise zwei, vier oder acht aufeinanderfolgende fehlerhafte Funktionen bzw. Störungen aufgetreten sind.

VII. Beschreibung der automatischen Abschaltung für den Signalisierungs-Ventil-Kraftantrieb

Wie bereits ausgeführt worden ist, ist eine sehr schnelle Arbeitsweise des Ventils 40 gemäß Fig. 4A wichtig. Die benötigte Stoßwelle wird nämlich dann nicht erzeugt, wenn der Ventilbetrieb langsam ist. Da das Ventil und sein An­ triebsmechanismus eine erhebliche Masse enthalten, ist eine nennenswerte Leistung erforderlich, um das Ventil in der Zeit zu öffnen oder zu schließen, die als wünschens­ wert betrachtet wird. Diese Leistung liegt in der Größen­ ordnung von 1/2 bis 3/4 PS; sie kann durch ein Spannungs­ versorgungsgerät bzw. einen Leistungsteil bereitgestellt werden, wie er im Abschnitt IV bereits beschrieben worden ist. Wie bei allen Konstruktionen dieser Art ist eine Leistungsreserve erforderlich um sicher zu sein, daß das Ventil auf Befehlssteuerung hin stets öffnet oder schließt.

Die verschiedenen elektronischen "Verknüpfungsschaltungen" und "Leistungsantriebsschaltungen", wie sie in Fig. 5A veranschaulicht sind, sind so ausgelegt, daß rechteck­ förmige Spannungsimpulse 104b und 104c mit einer Dauer von etwa 40 bis 50 ms bereitgestellt werden, um nämlich sicherzustellen, daß die Magnetrelaiswicklungen 105 und 106 während einer ausreichenden Zeitspanne erregt werden, damit der Betrieb des Ventils gewährleistet ist. In Fig. 5E ist der Verlauf des Spannungsimpulses 104b gemäß Fig. 5A im einzelnen veranschaulicht. Zum Zeitpunkt Null wird die Spannung plötzlich durch den Kraftantrieb bzw. die Leistungssteuereinrichtung 104 angelegt. Die betreffende Spannung steigt nahezu augenblicklich auf den mit 170 be­ zeichneten Wert an, verbleibt bei diesem Spannungswert während 50 ms und wird dann abgeschaltet, wodurch die betreffende Spannung (wieder nahezu augenblicklich) auf den Wert Null abfällt.

Es ist sehr informativ, die Bewegung des Ventils dadurch zu untersuchen bzw. zu studieren, daß Messungen des Stromes vorgenommen werden, der in die Magnetrelais- Antriebswicklung fließt und der zu einer Kurve führt, wie sie in Fig. 5D veranschaulicht ist. Anhand einer derartigen Kurve kann das Verhalten des Ventils quanti­ tativ untersucht werden. In Fig. 5D ist dabei eine derartige Kurve in Form eines Oszillogramms des Stromes in Ab­ hängigkeit von der Zeit veranschaulicht (dieser Strom wird beispielsweise durch die Spannung an dem Wider­ stand R1 oder R2 gemäß Fig. 6E gemessen).

Es ist wichtig zu verstehen, daß der betreffende Strom jener Strom ist, der durch die Magnetrelaiswicklung fließt und der die Kraft bestimmt, welche auf den Ventilkolben 68 gemäß Fig. 4A ausgeübt wird, da die Amperewindungen die elektromagnetische Zugkraft bestimmen.

Da die Windungen des Magnetrelais eine Induktivität aufweisen, wird sich der Strom nicht augenblicklich ausbilden, wenn plötzlich eine Spannung angelegt wird, wie dies in Fig. 5E gezeigt ist. Wenn das Magnetrelais aus einem einzigen Leiter bestünde, dann würde sich der Strom entsprechend einer einfachen Exponential­ kurve 271 ausbilden, wie dies in Fig. 5D durch eine gestrichelte Kurve veranschaulicht ist. Tatsächlich treten jedoch ziemlich unterschiedliche Vorgänge auf: Wenn das Ventil betätigt wird (geöffnet oder geschlossen), tritt eine plötzliche Bewegung des Ankers des Magnetrelais 79 gemäß Fig. 4B auf, und eine Gegen-EMK wird erzeugt. Diese Gegen-EMK wird durch die Geschwindigkeit des Ankers hervorgerufen, der die Induktivität der betreffenden Spule des Magnetrelais 79 schnell ändert (erhöht). In Fig. 5D ist mit 271 der ungefähre Stromverlauf in Ab­ hängigkeit von der Zeit in der Magnetrelaiswicklung für den Fall veranschaulicht, daß der Anker des Magnetrelais 79 und der Ventilkolben 68 im "geöffneten" oder "geschlossenen" Zustand "blockiert" sind. Die voll ausgezogene Kurve 272 gemäß Fig. 5D veranschaulicht den tatsächlich sich aus­ bildenden Strom für den Fall, daß das Ventil nicht blockiert bzw. behindert ist, d. h. unter tatsächlicher Arbeitsbedingung (öffnen oder schließen). Die Kurven 272 sind für Öffnungen oder Schließungen sehr ähnlich. Dabei zeigt sich, daß die Kurve 272 nach Anlegen der Spannung allmählich ansteigt (da die betreffende Magnetrelais­ spule 105, 106 eine Induktivität ausweist), bis sie bei dem dargestellten Beispiel den Wert von 4A zum Zeitpunkt T erreicht, der bei 20 ms liegt. Sodann tritt der plötz­ liche Stromabfall auf, der den niedrigen Wert von 2,2A zum Zeitpunkt T1 erreicht, welcher bei 25 Millisekunden liegt. Nach der Zeit von T1=25 ms steigt der Strom wieder entsprechend dem bekannten "Exponentialverlauf" an, bis er asymptotisch den Wert von etwa 10A zu einem Zeitpunkt erreicht, der bei etwa 60 ms liegt (dieser Wert ist durch den Widerstandswert der Magnetrelaiswicklung bestimmt, der bei dem Beispiel mit etwa 4,7 Ohm gegeben ist).

Aus einer Betrachtung bzw. Untersuchung der Kurve 272 gemäß Fig. 5D dürfte ersichtlich sein, daß das Ventil 40 zum Zeitpunkt T₀=20 ms mit dem Öffnen oder Schließen beginnt und die Bewegung zum Zeitpunkt T1=25 ms beendet. Wie bereits oben ausgeführt worden ist, tritt eine nahezu identische Situation während den "Öffnens" oder "Schließens" des Ventils auf. Die Kurve 272 zeigt somit an, daß zum Zeitpunkt T₀=25 ms die Bewegung abgeschlos­ sen ist.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß der Zeitpunkt T1=25 ms gemäß Fig. 5D als typisches Beispiel gegeben worden ist; der Zeitpunkt T1 hängt von einer Anzahl von Faktoren ab. So wird bei höheren Differenzdrucken die Zeit T1 größer sein als 25 ms; sie könnte 30, 35 oder 40 ms betragen. Es dürfte genügen hier darauf hinzuweisen, daß der Zeitpunkt bzw. die Zeitspanne T1 gemäß Fig. 5D den Zeitpunkt bzw. die Zeitspanne kennzeichnet, zu dem bzw. der die Ventilbe­ tätigung abgeschlossen ist, und daß der Strom zwischen den Zeitpunkten T1 und 50 ms tatsächlich "verloren geht", da die Betätigung des Ventils bereits abgeschlossen ist. Diese Extrazeit stellt einen "Sicherheitsfaktor" dar, durch den gewährleistet wird, daß sogar unter ungünstigen Bedingungen das Ventil stets betätigt wird, wenn der Spannungsimpuls angelegt wird.

Gemäß der Erfindung wird das Signal zum Zeitpunkt T1 dazu herangezogen, jeglichen weiteren Strom für das Magnetrelais 79 abzuschalten. Demgemäß wird der gesamte Strom zwischen dem Zeitpunkt T1 und 50 ms gespart (wodurch die für den Betrieb des Ventils 40 benötigte Gesamtenergie­ menge sehr erheblich reduziert ist). Es sei darauf hinge­ wiesen, daß der oben bezeichnete vollständige "Sicher­ heitsfaktor" beibehalten wird: Der Strom wird fortwährend abgegeben, bis das Ventil seinen (Öffnungs- oder Schließungs-)Betrieb abgeschlossen hat.

Die elektronische Schaltungsanordnung, die zur Erreichung des oben erläuterten Zieles verwendet wird, ist in Fig. 5C veranschaulicht. Dabei ist mit 104 der Kraftantrieb bzw. die Leistungssteuereinrichtung gemäß Fig. 4A bezeichnet. Zwischen dem Kraftantrieb bzw. der Leistungssteuerein­ richtung 104 und Erde bzw. Masse ist ein Widerstand (R1 oder R2) mit niedrigem Widerstandwert von beispielsweise 0,2 Ohm eingefügt (im Vergleich zu dem Widerstandwert des Magnetrelais). Die Spannung an diesem Widerstand ist daher proportional dem Strom, der an die betreffende Magnetrelais­ wicklung 104 bzw. 106 abgegeben wird. (Dabei sind zwei Schaltungen erforderlich, wie sie in Fig. 5C gezeigt sind - eine Schaltung für das Öffnen des Magnetrelais-Kraftan­ triebs und eine zweite Schaltung für das Schließen des Magnetrelais-Kraftantriebs; der Einfachheit halber ist jedoch lediglich eine Schaltung in Fig. 5C gezeigt.) Mit 273 ist ein herkömmlicher Verstärker bezeichnet, der aus­ gangsseitig eine Spannung mit dem Kurvenverlauf 272a ge­ mäß Fig. 5C abgibt, bei der es sich um eine Nachbildung der Kurve 272 gemäß Fig. 5D handelt. Mit 274 ist eine Ableit- bzw. Differenziereinrichtung bezeichnet (die auf dem Gebiet der Elektronik an sich bekannt ist), wobei diese Schaltung eine Ausgangsspannung erzeugt, die der ersten zeitlichen Ableitung ihrer Eingangsspannung proportional ist. Die Kurve 275 veranschaulicht diese Ableitungs­ spannung. Aus einer Betrachtung der Kurve 272 oder 272a kann dabei ersehen werden, daß die Ableitung (Steigung) der Kurve stets positiv ist, allerdings abgesehen während der Zeitspanne zwischen T₀ und T1. Während dieser Zeit­ spanne ist die Steigung (Ableitung) negativ. Bei der Kurve 275 ist lediglich der Impuls 276 negativ. Mit 277 ist ein herkömmlicher Gleichrichter bezeichnet, der so angeordnet bzw. ausgelegt ist, daß er lediglich den Impuls 276 durchläßt, wie dies die Kurve 278 veran­ schaulicht. Mit 279 ist eine (auf dem vorliegenden Gebiet an sich bekannte) elektronische Verzögerungs­ schaltung bezeichnet, die einen Ausgangsimpuls 276b er­ zeugt, bei dem es sich um eine Nachbildung des Eingangs­ impulses handelt, wobei jedoch eine Verzögerung um die Zeitspanne T1-T₀ vorhanden ist. Demgemäß tritt der Impuls 276b, wie dies die Kurve 280 veranschaulicht, etwas später auf als zum Zeitpunkt 281 zugeführt, der so ausgelegt ist, daß er die Versorgungsspannung für den Kraftantrieb 104 abschaltet und damit den Stromfluß nahezu augenblicklich stillsetzt, nachdem das Ventil 40 seinen Betrieb (geöffnet oder geschlossen) beendet hat. Der elektronische Schalter 281 ist so angeordnet, daß er die Wirkung des Kraftantriebs 104 nach einer geeigne­ ten Zeitspanne wieder herstellt. Der Prozeß wiederholt sich dann selbst, wenn der nächste Impuls 104a (oder 104b) auftritt.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß die Energieein­ sparung, die durch Ausnutzen dieses Aspekts der vor­ liegenden Erfindung erzielt werden kann, sehr beträcht­ lich ist. Da sehr hohe Leistungen erforderlich sind, um das Ventil 40 mit der geforderten hohen Geschwindigkeit zu betreiben, ist diese Einsparung sehr erheblich; sie könnte bei dem Beispiel die Batterielebensdauer steigern, wie um das Fünffache.

VIII. Beschreibung einer Unter- und Gehäuseanordnung für das Spezial-Telemetriegerät

Eine bedeutende Eigenschaft der Anordnung gemäß der Er­ findung zur Durchführung von Messungen während des Bohrens ist die Praktikabilität dieser Anordnung, d. h. die Bequemlichkeit und Leichtigkeit, mit der diese An­ ordnung an vorhandene Erdölbohrungs-Hardware und -Geräte sowie Bohrschächte angepaßt werden kann. Bei den bisher durchgeführen Versuchen sind große spezielle Stahlge­ häuse mit einer Länge von ca. 9 m oder noch größerer Länge und einem Durchmesser von ca. 200 mm (entsprechend 8 Zoll) erforderlich, um die komplizierte Instrumentenan­ ordnung unterzubringen. Der Transport derartiger An­ ordnungen von einer Stelle zu einer anderen Stelle er­ fordert überdies speziell konstruierte Fahrzeuge. Bei der Anordnung gemäß der Erfindung ist es nun, mit Rück­ sicht darauf, daß kein Ventilmechanismus in den Haupt­ schlammstrom eingefügt ist, möglich, das schwere, sehr lange und teure Spezialgehäuse (mit einer Länge von etwa 9 m) wegzulassen; es ist nämlich lediglich ein kur­ zer Bereich einer Bohrhülse (als sogenanntes "Unterteil" bezeichnet) erforderlich. Bei der praktischen Aus­ führungsform der Erfindung weist dieser Unterbereich eine Länge von ca. 92 cm (entsprechend 36 Zoll) und einen Duchmesser von ca. 172 mm (entsprechend 63/4 Zoll) auf - und zwar im Unterschied zu ca. 9 m (entsprechend 30 Fuß), was bisher erforderlich war.

Eines der wichtigen Merkmale der Erfindung besteht daher darin, daß keine schweren, langen Spezialgehäuse erfor­ derlich sind. Dies ist insbesondere mit Rücksicht darauf von Vorteil, daß magnetische Tieflochmessungen, wie Kompaßanzeigen (die beispielsweise die Bohrung eines abgewichenen Loches steuern) durchführbar sind, was die Verwendung von unmagnetischen Bohrhülsen erfordert. < 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002003031599 00004 99880DPA NB=47<

Unmagnetische Bohrhülsen sind nicht nur schwer (zwei bis drei Tonnen), sondern auch extrem teuer (jeweils 20 000 Dollar), da sie aus vollkommen unmagnetischem Material, wie K-Monel, hergestellt werden müssen. Bei der Konstruktion der Anordnung gemäß der Erfindung sind "Standard"-API-Bohrhülsen mit einem Außendurchmesser von ca. 152 mm bis ca. 229 mm (entsprechend 6 bis 9 Zoll) verwendet worden, bei denen es sich um die gebräuchlichsten Größen handelt. Sämtliche Standard-API-Hülsen weisen einen Innendurchmesser von 2-13/16′′+1/16′′-0′′ auf. Die Einfach­ heit, die geringe Größe und die koaxiale Konstruktion des Ventilsystems gemäß der Erfindung und der zugehörigen Einzelteile ermöglichen die Erzielung einer speziellen Eigenschaft: Der gesamte Kraftantrieb und die zugehörige Anordnung können in einem druckfesten Rohr untergebracht werden bzw. sein, welches einen hinreichend kleinen Durch­ messer aufweist, um in die Innenbohrung (2-13/16′′) einer Standard-API-Bohrhülse eingesetzt werden zu können, ohne daß damit eine unnötige Störung mit dem Schlammstrom auftritt. Einige Fühler sollten so nah wie möglich bei dem Bohrmeißel untergebracht sein. Insbesondere sollte ein Tiefloch-Gammastrahlenfühler imstande sein, die Ein­ dringung des Bohrmeißels in eine vorgegebene Gesteins­ formation zu ermitteln, sobald ein derartiges Eindringen auftritt. Darüber hinaus erfordern einige Fühler, wie ein Tiefloch-Kompaß-Längsneigungsmesser eine genaue Indizierung in bezug auf die zur Richtungsbohrung be­ nutzte "Werkzeug- bzw. Geräte-Seite". Überdies muß ein Kompaß-Längsneigungsmesser bzw. Inklinationskompaß in einer nennenswerten Entfernung von jeglichem magnetischem oder paramagnetischem Material angeordnet sein. Wenn ein Inklinationskompaß verwendet wird, müssen überdies die Gehäuse 250a und 250b gemäß Fig. 7A sorgfältig in Winkel­ richtung bezogen auf den Unterteil 253 indiziert werden, wobei das betreffende Unterteil seinerseits bezogen auf das "gebogene Unterteil", indiziert ist, welches zur Richtungsbohrung benutzt wird.

Das "gebogene Unterteil" ist mit einer Indexmarkierung 253a versehen; der Winkel dieser Indexmarkierung muß eine konstante und gemessene Winkelbeziehung zu der Index­ markierung 254a aufweisen, die an dem Telemetrie-Unter­ teil 254 angebracht ist. Dieser bekannte Winkel (der den Winkel zwischen den Indexmarkierungen 253a und 254a kenn­ zeichnet) wird dann in die Berechnung zur Bestimmung der Lage und des Winkels bezogen auf eine Vertikalebene des "gebogenen Unterteiles" eingeführt.

In Fig. 7A ist schematisch das Spezial-Telemetriegerät 50 gezeigt, wobei die Anordnung veranschaulicht ist, durch die das "spezielle lange Gerät" vermieden ist und durch die lediglich ein kurzer Bereich des Bohrhülsen-Unterteiles erforderlich ist, wie dies bereits erwähnt worden ist. Ge­ mäß Fig. 7A ist ein mit 250 bezeichnetes Gehäuse vorge­ sehen, welches aus einem oberen Bereich 250a und aus einem unteren Bereich 250b besteht, wie dies bereits im Zusammenhang mit Fig. 4A beschrieben worden ist. Der obere Bereich 250a ist in einem kurzen Unterteil 254 ent­ halten, welches lediglich eine Länge von ca. 92 cm (ent­ sprechend 36 Zoll) aufweist. Dieser kurze Unterteil ist insbesondere so ausgebohrt, daß er einen ausreichenden Innendurchmesser (von beispielsweise ca. 114 mm, ent­ sprechend z. B. 41/2 Zoll) aufweist, um die Ventilan­ ordnung 40 unterzubringen und um außerdem dem unbe­ schränkten Bohrschlammstrom zu ermöglichen, an dem oberen Bereich 250a durch Durchgänge 61 hindurchzu­ treten, die auch in Fig. 4A mit 61 bezeichnet sind. Das Gehäuse 250a weist einen geringen Durchmesser auf, der vorzugsweise ein Außendurchmesser von ca. 68 mm (ent­ sprechend 2-11/16′′) oder ein noch kleinerer Außendurch­ messer ist. Eine Bohrhülse 255, wie sie vom Benutzer be­ reitgestellt wird (der Ölgesellschaft oder der Bohrfirma) weist üblicherweise eine Länge von ca. 9 m (entsprechend 30 Fuß) auf, wobei dieser Hülse bzw. dieses Bohrrohr ein hohes Gewicht aufweist und teuer ist. Der Innendurch­ messer eines Standard-API-Bohrrohres ist bereits mit ca. 71 mm-0 +1,6 mm (entsprechend 2-13/16′′-0+1/16′′) bezeichnet worden. Für das untere Gehäuse 250b sind Zentrierungs- bzw. Zentralisierungsteile 256 vorgesehen. Diese weisen dabei einen etwas geringeren Durchmesser auf, als er durch den Innendurchmesser des Standard-API-Bohrrohres gegeben ist; beispielsweise können die betreffenden Teile einen Außen­ durchmesser von ca. 70 mm (entsprechend 2 3/4 Zoll) auf­ weisen. Ein geringerer Zwischenraum ist dabei sehr wichtig, um ein "Schlagen" zu vermeiden, wenn das Gerät bzw. Werk­ zeug während des Bohrens vibriert. Der Abgabedurchgang 85 ist dabei der gleiche, wie er in Fig. 4A veranschaulicht ist. Das Gehäuse 250b hängt innerhalb des Unterteiles 254 herab, und zwar durch Sicherungseinrichtungen, die nicht näher gezeigt sind. Die Querschnittsform der Zentrie­ rungseinrichtungen 256 ist, wie dies in Fig. 7B veran­ schaulicht ist, derart, daß Schlitze oder Durchgänge 258 geschaffen sind, die eine freie Strömung des Bohrschlamms ermöglichen.

Der untere Gehäusebereich 250b besteht tatsächlich aus mehreren Unterbereichen, die durch spezielle Verbindungs­ einrichtungen miteinander verbunden sind, wie dies in Fig. 7C gezeigt ist. Wie in Fig. 7C veranschaulicht, ist jeder Unterbereich an seinem oberen Ende mit einem Schlitz 260 und an seinem unteren Ende mit einem Vor­ sprung oder Zahn 261 versehen. Ein Vorsprung 261 eines Unterbereichs greift passend in einen Schlitz 260 des be­ nachbarten Unterbereichs ein. Die einander benachbarten Unterbereiche sind von einer Verbindungshülse 262 aufge­ nommen, die passend von den Endteilen der Unterbereiche aufgenommen sind. Die kreisförmigen Öffnungen 263 in den Unterbereichen sind zu Gewindeöffnungen 264 in der Ver­ bindungshülse 262 ausgerichtet, wobei die betreffenden Teile durch Schrauben 265 gesichert sind. Die spezielle Verbindungseinrichtung gemäß Fig. 7C sorgt für eine ge­ naue winkelmäßige Indizierung, wenn der Unterteil 253 ein "gebogener Unterteil" ist.

Wie oben bereits ausgeführt, muß der Winkel zwischen den Indexmarkierungen 253a und 254a bekannt sein, um den Winkel bezogen auf die Vertikale des "gebogenen Unter­ teiles" zu berechnen. Es ist außerdem erforderlich, daß die winkelmäßige Verschiebung zwischen den Achsen eines Inklinationsmagnetmotors und der Markierung 254a bekannt und während der Bohroperation nicht veränderbar ist (vor­ zugsweise jedoch nicht notwendigerweise ist der Winkel zwischen einer der Horizontalachsen des Inklinations- Magnetometers und der Indexmarkierung 254a Null). Für diesen Zweck wird das Gerät 250b mit Winkel-Indexzähnen 261 zusammengebaut, wie dies in Fig. 7C und 7A veranschaulicht ist.

Um ein effizientes Telemetriesystem zu konstruieren, müssen zwei Forderungen berücksichtigt werden. Eine dieser Forderungen betrifft optimale Bedingungen, um die Steuerung der hydraulischen Stoßwellen zu erzielen. Die andere Forderung betrifft die Erzielung von Stoßwellen aus­ reichender Intensität, um über äußere Störeffekte hinweg­ zugehen.

IX. Optimale Bedingungen zur Festlegung der Steuerung der hydraulischen Stoßwellen (Bestimmung von Para­ metern K₁ (oder K₂) und T_b ^(v))

Es ist eine Reihe von Experimenten durchgeführt worden, um die optimalen Bedingungen für die Steuerung bzw. Lei­ tung von hydraulischen Stoßwellen zu bestimmen.

Das Auftreten einer hydraulischen Stoßwelle ist dem Auf­ treten des Wasserschlageffektes analog. Durch plötzliches Stillsetzung der Strömung in einem lokalen Bereich der Strömungsleitung tritt in dem betreffenden Bereich ein plötzlicher Druckanstieg auf. Dieser zunächst örtliche Druckanstieg breitet sich selbst längs der Strömungs­ leitung als "Druckstoß" aus. Es ist an sich bekannt, daß eine plötzliche und lokale Änderung (Herabsetzung oder Erhöhung) der Geschwindigkeit zu einer entsprechenden lokalen Änderung (Anstieg oder Absenkung) des Drucks führt und daß demgegenüber eine plötzliche und lokale Druck­ änderung zu einer plötzlichen und lokalen Geschwindigkeits­ änderung führt. Aufgrund der Elastizität und des Trägheits­ vermögens des Fluids kann die betreffende Änderung von dem Volumenelement, von dem es ausgeht, zu den Nachbar-Volumen- Elementen mit einer Geschwindigkeit weitergeleitet werden, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Druckwellen ist. Das Problem der Ausbreitung von Stoßwellen ist äußerst komplex. Um praktische Forderungen zu erfüllen, muß ein Parameter bestimmt werden, der der charakteristischste Parameter unter dem Gesichtspunkt der Erzielung einer klar definierten Stoßwelle ist. Zwei Parameter sind berücksichtigt worden, die als Parameter K₁ bzw. als Parameter K₂ bezeich­ net sind. Wenn einer dieser Parameter einen geeigneten Wert übersteigt, wird eine klar definierte Stoßwelle er­ zeugt.

a) Parameter K₁

Dieser Parameter stellt die mittlere Änderungsrate der Geschwindigkeit des Schlammstromes durch das Nebenweg­ ventil während der Öffnungszeit-Zeitspanne (oder Schließungs- Zeitspanne) des Ventils dar.

Mit V(t) sei die Geschwindigkeit der Schlammströmung durch das Nebenwegventil bezeichnet, die sich zeitlich ändert (in cm/sec oder Fuß/sec). Zum Zeitpunkt t=0 als dem Zeitpunkt, zu dem das Ventil mit der Öffnung beginnt, sei die Geschwindigkeit Null; dies bedeutet V(0)=0. Zum Zeitpunkt t=T_a ^(v), zu dem das Ventil vollständig ge­ öffnet ist, nimmt die Geschwindigkeit des Ventils einen gewissen Wert V_f an, bei dem es sich um die Nebenweg-Ge­ schwindigkeit während der Zeitspanne der vollständigen Strömung handelt. Damit gilt

V(T_a ^(v)) = V_f (10)

Demgemäß genügt der Parameter K₁, bei dem es sich um die mittlere Änderungsrate der Geschwindigkeit während der Zeitspanne T_a ^(v) handelt, der Beziehung

K₁ wird in cm/sec² gemesen.

Nunmehr sei angenommen, daß K₁ einen geeigneten Schwell­ wert überschreitet. Dies bedeutet, daß dann, wenn

K₁ < M₁ ist, (12)

eine klar festgelegte Stoßwelle erhalten wird. In den durchgeführten Experimenten war festgelegt, daß

M₁ ≃ 2 × 10⁵ cm/sec² (13)

erfüllt war.

b) Parameter K₂

Dieser Parameter ist kennzeichnend für die mittlere Änderungsrate des Öffnungsbereiches des Ventils während der Periode T_a ^(v).

Es ist oben bereits definiert worden (siehe Gleichung (1)), daß S(t) der Ventilbereich ist, welcher sich zum Zeit­ punkt t öffnet. Damit gilt zum Zeitpunkt t=0 die Be­ ziehung S(0)=0, und zum Zeitpunkt t=T_a ^(v) gilt die Beziehung

S(T_a ^(v)) = S₀ (14)

wobei S₀ die Gesamtöffnung des Ventils bedeutet.

Der Parameter K₂ genügt somit der Beziehung

Unter der Annahme, daß K₂ einen geeigneten Schwellwert überschreitet, was bedeutet, daß die Beziehung

K₂ < M₂ (16)

erfüllt ist, wird eine klar festgelegte Stoßwelle erzielt. In durchgeführten Experimenten war festgelegt, daß M≃100 cm²/sec betrug.

Grob gesagt ist K₁ proportional K₂. Der Parameter K₂ ist vielleicht der brauchbarere Parameter von den beiden Parametern, da er direkt einen Angabe darüber liefert, wie das Ventil auszulegen und zu betreiben ist.

Es existiert ferner ein Parameter T_b ^(v) (siehe B₁C₁ in Fig. 2A), der im Zuge der Erläuterung in Fig. 8A bis 8E berücksichtigt werden muß. Jede dieser Figuren entspricht einer Reihe von numerischen Werten von K₁ und T_b ^(v) oder K₂ und T_b ^(v).

Die Fig. 8A bis 8E zeigen die Auswirkung der sich ändern­ den Größen K₁ und T_b ^(v) oder K₂ und T_b ^(v) hinsichtlich des Einflusses auf den Übergang vom Betrieb mit geringer Druck­ änderung auf den Betrieb mit hydraulischen Stoßwellen. Da­ bei zeigt insbesondere jede dieser Figuren, wie der er­ mittelte Druck und die Erdoberfläche (Ordinate) sich in Abhängigkeit von der Zeit t (Abszisse) ändern.

Die Größe der Durchtrittsöffnung betrug bei diesen Experimenten 0,5 cm². Die experimentellen Daten wurden in einer Anzahl von Bohrschächten erhalten. Die betreffen­ den Bohrungen waren ausgewählt in Oklahoma, West-Texas, Ost-Texas und den Niederlanden. Einige der Unter­ suchungen wurden in "Experimental-Bohrungen" durchgeführt, die ausschließlich dazu vorgenommen wurden, Telemetrie- Experimente durchzuführen.

Im Zuge der Durchführung der obigen Experimente wurde eine große Vielzahl von existierenden Schlammpumpenanlagen und verschiedenen Störeffekten mit berücksichtigt. Es gibt viele Arten von Schlammpumpen: Einzel-Duplex-, Doppel- Duplex-, Einzel-Triplex-, Doppel-Triplex-Pumpen, und die Pumpendruckänderungen für einen vorgegebenen mitt­ leren Schlammdruck ändern sich in starkem Ausmaß von An­ lage zu Anlage. Die Eliminierung von starken störenden Schlammdrucksignalen ist komplex. Die Pumpendrucksignale von einem einzelnen Duplexsystem können zehn- oder sogar zwanzigmal größer sein als jene Signale, die von einem sorgfältig eingestellten Doppel-Triplex-System erhalten werden. Um optimale Werte für K₂ (oder K₁) und T_b ^(v) zu bestimmen, wurde der Bohrvorgang gestoppt, und eine sehr gute (gleichmäßig arbeitende) Tiplex-Pumpe wurde ver­ wendet. Demgemäß sind die Kurven gemäß Fig. 8A bis 8E nicht kennzeichnend für einen typischen Zustand, sondern sie sind kennzeichnend für einen Zustand, bei dem die verschiedenen Störungen (von den Pumpen und anderen Quellen) minimiert und dann durch Rechnung und Zeichnung gemittelt waren, um optimale Werte für die Parameter K₂ (oder K₁) und T_b ^(v) zu erzielen. Die entsprechenden Werte für K₂ (oder K₁) und T_b ^(v) für die Fig. 8A bis 8E sind jeweils in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

Tabelle

Die Kurven gemäß Fig. 8A bis 8E geben Mittelwerte wieder, die in einer großen Anzahl von Tests erhalten worden sind. Bei diesen Tests betrug der normale Standrohrdruck 210 at (entsprechend 3000 psi), und die Druckschwankungen lagen im Bereich von 7 at (entsprechend 100 ps). Die obigen Tests wurden unter Verwendung von verschiedenen Ventil­ typen durchgeführt: motorgetriebenes Ventil, Drehventil, Ventilkegelanordnung, etc. Die Fig. 8F stellt eine genaue Wiedergabe des aufgezeichneten Standrohrdrucks dar, wie er bei Tests aufgenommen wurde, die bei ca. 2940 m (ent­ sprechend 9800 Fuß) und einem Standrohrdruck von ca. 196 at (entsprechend 2800 psi) beim tatsächlichen Bohren in einem Bohrloch in West-Texas durchgeführt worden sind.

Die Kurve gemäß Fig. 8A wurde dadurch erhalten, daß ein langsam wirkendes Ventil verwendet wurde. Die numerischen Werte der betreffenden Parameter für Fig. 8A waren K₂=0,5 cm² und T_b ^(v)=2 sec. Dies bedeutet, daß diese Parameter ähnlich jenen Parametern waren, die nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1A und 1B vorgeschlagen waren. Demgemäß veranschaulichen die Fig. 8A und 1B den langsamen Druckimpulsbetrieb. Demgegenüber ist die Kurve gemäß Fig. 8E dadurch erhalten worden, daß ein schnell wirkendes Ventil verwendet wurde, wobei K₂=100 cm²/s und T_b ^(v)=10^-1 s betrugen. Demgemäß veranschaulicht die Fig. 8E den Betrieb mit hydraulischen Stoßwellen. Die Ventil-Signalwelle gemäß Fig. 8E zeigt dabei einen sehr ähnlichen Verlauf wie die Ventil-Signalwelle gemäß Fig. 2B.

Die Fig. 8B, 8C und 8D, bezüglich derer in der obigen Tabelle Werte angegeben sind, veranschaulichen den Über­ gang vom Betrieb mit langsamen Druckschwankungen zum Be­ trieb mit hydraulischen Stoßwellen.

Bei den durch Fig. 8B, 8C und 8D veranschaulichten Tests waren die Bedingungen soweit wie möglich ähnlich bzw. gleich gehalten. Das Instrument war nahe der Unterseite der Bohrlöcher in einer Tiefe von ca. 2400 m (entsprechend 8000 Fuß) vorgesehen, die Schlammviskosität betrug etwa 40 Funnel, und das Gewicht betrug 12 Pfund pro Gallone. Das Ventil wies im geöffneten Zustand eine effektive Öffnungsfläche von 0,7 cm² auf. Der normale Standrohr­ druck betrug ca. 210 at (entsprechend 3000 psi). Das bei diesen Untersuchungen verwendete Ventil war ähnlich dem Ventil 40, diesem gegenüber jedoch derart modifiziert, daß eine langsamere Betätigung ermöglicht war (ohne die bistabile Wirkung). Dies bedeutet, daß das Ventil ein einfaches Druckausgleichsventil war. Die Strömungsrate wurde durch eine Beschränkung auf der Einlaßdurchgangs­ seite reguliert. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ventil­ wirkung, die zu den Verhältnissen gemäß Fig. 8B sehr schnell war, ohne indessen den gewünschten Betrieb mit hydraulischen Stoßwellen zu liefern. Die scharfen Anfangsbereiche zeigten jedoch, daß eine schnellere Wirkung erwünscht war. Die Ab­ gaberate lag in der Größenordnung von 5 Gallonen/sec².

Durch Einstellen der Einlaß- und Auslaß-Beschränkungen und der an die Antriebs-Magnetrelais abgegebenen elektri­ schen Leistung wurden verschiedene Ventilbetriebsge­ schwindigkeiten erzielt.

Aus obigem dürfte ersichtlich sein, daß keine Stoßwellen erzeugt werden, wenn K₂=0,5 cm²/s ist und daß eine nahezu ideale Stoßwelle dann erzeugt wird, wenn K₂=100 cn²/s ist.

X. Erzielung von Stoßwellen, um eine Störung unberück­ sichtigt zu lassen (alternative Version)

Im folgenden wird ein weiterer Parameter eingeführt, der eine Forderung bezüglich der Intensität der Stoßwelle aus­ drückt. Dabei werden zwei unterschiedliche Lösungen be­ trachtet. Eine dieser Lösungen basiert auf einem Para­ meter K₃, der die Schlammenge angibt (gemessen in cm³ oder in Gallonen), die durch das Ventil während der Zeitspanne T_a ^(v) durchtritt. (Diese Größe ist als Fluß­ größe bekannt). Die andere Lösung basiert auf einem Parameter K₄, der den mittleren Schlammstromfluß während der Zeitspanne T_a ^(v) angibt. Damit existiert die Beziehung

Berücksichtigt wird die Öffnungszeitspanne des Ventils, d. h. die Zeitspanne T_a ^(v). Um das Problem zu vereinfachen, wird angenommen, daß die Steigerungsrate der Geschwindig­ keit der Strömung während der Zeitspanne T_a ^(v) konstant und gleich K₁ ist. Damit gilt die Beziehung

V(t) = K₁ in cm/sec (18)

Ferner sei angenommen, daß die Steigerungsrate des Öffnens des Ventils konstant und gleich K₂ ist. Damit gilt die Beziehung

S(t) = K₂ t in cm²/sec (19)

Demgemäß beträgt das Volumen, welches während der Zeit­ spanne T_a ^(v) durch das Ventil hindurchtritt,

Damit liefert der Parameter K₃ die Fluidmenge in cm³, die durch das Ventil während der Zeitspanne T_a ^(v) hindurch­ tritt. Diese Größe stellt die Flußgröße für die Dauer einer einzigen Öffnung und Schließung des Ventils dar. Eine andere Alternative besteht nun darin, anstelle des Parameters K₃ einen Parameter K₄ zu verwenden, der kenn­ zeichnend ist für den Fluß während der Zeitspanne T_a ^(v); dieser Parameter genügt der Beziehung

XI. Generelle Verfahrensweise zur Störungsbeseitigung

Nunmehr sei die generelle Verfahrensweise zur Decodierung von Signalen betrachtet, die von dem Druckwandler 51 ge­ liefert werden. In Fig. 9 ist die Schaltungsanordnung veranschaulicht, und in Fig. 10A bis 10G ist der Verlauf von bestimmten Signalwellen und Impulsen gezeigt, die bei der Decodierung von Signalen durch die Anordnung gemäß Fig. 9 auftreten.

Das von dem Druckwandler 51 erhaltene Signal umfaßt ein eine Nutzinformation mit sich führendes Signal zusammen mit Störsignalen, die dazu neigen, das Nutzsignal zu ver­ decken oder auszublenden. Das die Nutzinformation führende Signal stellt die codierte Nachricht dar, die mittels des Ventils 40 durch Ansprechen eines Fühlers erhalten wird. Dabei sind verschiedene Störsignale vorhanden. Eines dieser Störsignale wird durch die Pumpe 27 erzeugt; es umfaßt eine starke Dauerkomponente des durch die Pumpe erzeugten Schlammdrucks. Diese Komponente trägt zur Zirkulation des Schlamms durch das Bohrrohr und zurück durch den Ringraum zwischen dem Bohrrohr und der Bohrwandung bei. Diesem Signal ist eine Wechselkomponente überlagert, die durch die wiederholte Bewegung der sich hin- und herbewegenden Kolben in der Pumpe hervorgerufen wird.

Um die Aufnahme zu verbessern, ist es wünschenswert, aus dem Ausgangssignal des Wandlers 51 die Dauerkomponente des durch die Pumpe 27 erzeugten Drucks zu beseitigen. Demgemäß ist ein frequenzselektives Filter 150 mit dem Wandler 51 verbunden, um Frequenzen im Bereich von 0,1 bis 10 Hz zu übertragen und um Frequenzen außerhalb die­ ses Bereiches zu bedämpfen. Die Frequenzen innerhalb der Dauerdruckkomponente liegen unterhalb von 0,1 Hz.

In der hier benutzten Terminologie wird eine Unterschei­ dung getroffen zwischen dem Begriff "Filter", wie er bezüglich des frequenzselektiven Filters 150 benutzt ist, und dem Begriff "digitales Filter", wie er weiter unten noch benutzt wird. Bei einem "Filter", wie dem Filter 150, wird eine herkömmliche Filterung mittels analoger elektronischer Netzwerke vorgenommen, deren Verhalten gewöhnlich in der Frequenzebene liegt. Der Be­ griff "Filter" kann dazu herangezogen werden, Einrich­ tungen zu bezeichnen, die als "Wellenfilter" als "Shea-Filter" bestimmt sind (siehe z. B. das Buch "Transmission Networks and Wave Filters" von T. E. Shea, D. Van Nostrand Co., New York, N. Y. 1929), und zur Bezeichnung von anderen Fil­ tern, wie Tchebysheff- und Butterworth-Filtern verwendet. Demgegenüber liegt ein Digital-Filter, wie ein angepaßtes Filter, ein Impulsformungsfilter oder ein Impulsspitzen­ filter in vorteilhafter Weise im Zeitbereich. Das Aus­ gangssignal eines digitalen Filters wird dadurch erhalten, daß der digitale Eingangssignalverlauf mit Filter-Gewichts­ koeffizienten in Zusammenhang gebracht wird. Ein digitales Filter ist ein Rechner.

Das am Ausgangssignal 151 des Filters 150 erzeugte Signal wird durch eine Funktion (F(t) ausgedrückt, die der Beziehung

F(t) = B(t) + P(t) + U(t) (22)

genügt, wobei B(t) das die Nutzinformation tragende Signal, P(t) das durch die periodische Druckschwankung von der Pumpe her hervorgerufene Störsignal (Pumpen­ störung) und U(t) eine Zufallsstörung bedeuten. Die Zu­ fallsstörung wird durch verschiedene Effekte hervorge­ rufen, wie durch die Wirkung der Zähne eines Schneid­ meißels (bei einem gezahnten Kernmeißel) während des Bohrens, durch die Zahnräder im mechanischen Bohrstrang und durch andere Einrichtungen, die in Dreh-Bohroperationen einbezogen sind. In einigen Fällen nähert sich die Größe U(t) an weißes Rauschen an, obwohl in anderen Fällen die Abweichung der Größe U(t) vom weißen Rauschen erheblich sein kann.

Die codierte Nachricht, die durch das informationstragen­ de Signal B(t) gegeben bzw. ausgedrückt ist, ist eine Reihe von Binärwörtern, deren jedes eine Folge von Bits umfaßt. Ein einzelnes Bit innerhalb eines Binärwortes wird durch eine einzelne "Operation" hervorgerufen (d. h. durch eine einzelne Öffnung und Schließung des Ventils 40. Eine derartige einzelne Operation ruft eine hydraulische Stoßwelle hervor, die ihrerseits auf der Erdoberfläche als einzelne Ventil-Signalwelle deutlich wird, wie dies in Fig. 2B veranschaulicht ist. Demgemäß liegt die durch B(t) ausgedrückte Nachricht in Form einer codierten Folge von Ventil-Signalwellen vor, deren jede von dem in Fig. 2B dargestellen Typ ist. In Fig. 10A bis 10G sind verschie­ dene Schritte veranschaulicht, die auszuführen sind, um das informationstragende Signal B(t) von den Störsignalen zu trennen. Um die Erläuterung zu vereinfachen, ist B(t) in Fig. 10A durch eine einzige Ventil-Signalwelle ausge­ drückt anstatt durch eine codierte Folge von Ventil- Signalwellen. Demgemäß ist die Ventil-Signalwelle gemäß Fig. 10A vom selben Typ wie eine einzelne Ventil-Signal­ welle gemäß Fig. 2B. Es existiert jedoch in der Dar­ stellung eine geringe Abweichung. In Fig. 10A ist das Hochzeichen "s" weggelassen worden, welches in Fig. 2B auftritt. Demgemäß sind in Fig. 10A bis 10G die ver­ schiedenen Zeitpunkte mit t1, t2 . . . t15, t16 ohne hochgestelltes "s" bezeichnet. Die verschiedenen Kurven gemäß Fig. 10A bis 10G sind in geeigneter Weise bezeichnet. Im Interesse der Klarheiten und zur Erleichterung der Er­ läuterung sind die diesen Kurven entsprechenden Zeitmaß­ stäbe verzerrt worden.

Um die Störsignale zu beseitigen (Pumpenstörung und zufällige Störung) und um ein Signal zu erzeugen, welches kennzeichnend ist für die codierte Nachricht, sind drei aufeinanderfolgende Operationsschritte vor­ gesehen, die wie folgt gekennzeichnet werden können:

Schritt 1:
Bei diesem Schritt wird ein Signal mit drei Komponenten, wie es in Fig. 10A veranschaulicht ist, in ein Signal mit zwei Komponenten umgesetzt, wie es in Fig. 10C gezeigt ist. Der Zweck dieses Schrittes be­ steht darin, die Pumpenstörung P(t) zu beseitigen. Als Ergebnis dieses Schrittes wird eine "Ventil-Signalwelle" des in Fig. 10A dargestellten Typs in eine "Doppel-Signal­ welle" umgesetzt. Eine derartige Doppel-Signalwelle ist in Fig. 10C veranschaulicht.
Schritt 2:
Der Zweck dieses Schrittes besteht darin, das zufällige Störungssignal zu beseitigen.
Schritt 3:
Bei diesem Schritt wird jede Doppel-Signal­ welle, wie sie in Fig. 10D veranschaulicht ist, in einen einzelnen Impuls umgesetzt, wie er in Fig. 10G veran­ schaulicht ist. Demgemäß erhält man eine codierte Folge von Einzelimpulsen, die kennzeichnend sind im digitalen Format für den Parameter, der mittels des Fühlers 101 in einer geeigneten Bohrlochtiefe gemessen worden ist.

XII. Beseitigung der Pumpenstörung (Schritt Nr. 1)

Im folgenden sei Fig. 10A näher betrachtet. In dieser Figur sind die drei Komponenten des Signals (F(t) gezeigt, wie es durch die Gleichung (22) zum Ausdruck kommt. Dabei handelt es sich um die Ventil-Signalwelle B(t), die Pumpenstörung P(t) und die zufällige Störung bzw. Rausch­ störung U(t). Wie zuvor ausgeführt, wird das Signal f(t) mit Hilfe des Filters 150 erhalten. Dieses Filter ist mit einem Verzögerungselement 152 verbunden, welches das Ein­ gangssignal F(t) um eine Größe T_p effektiv verzögert, wobei T_p eine Periode in der Schwingung bedeutet, die von der Pumpe 27 erzeugt wird. Demgemäß kann das auf der Ausgangsleitung 153 des Verzögerungselementes 152 erhaltene Signal ausgedrückt werden durch F(t-T_p). Die drei Komponenten des Signals F(t-T_p) sind in Fig. 10B veranschaulicht. Dabei handelt es sich um die verzögerte Ventil-Signalwelle B(t-T_p), die verzögerte Pumpenstörung P(t-T_p) und die verzögerte Rauschstörung U(t-T_p). Das Zeitintervall T_p hängt von der Drehzahl der Pumpe ab; da die Drehzahl der Pumpe nicht konstant ist, ist die Ver­ zögerungsdauer T_p eine variable Verzögerungsdauer. Damit muß eine geeignete Steuerung bezüglich des Verzögerungs­ elementes 152 bereitgestellt werden, die in Abhängigkeit von der Drehzahl der Pumpe 27 arbeitet. Demgemäß ist das Verzögerungselement 152 so ausgelegt, daß es über die Leitung 154 Zeitsteuerimpulse von einem Impulsgenerator 155 aufnimmt, der mechanisch von der Pumpe her angetrieben wird, um eine geeignete Anzahl von Impulsen pro Pumpenumlauf zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist ein Kettenübertragungsantrieb 156 vorgesehen. Das Verzögerungselement 152 kann eine so­ genannte Dual-Analog-Verzögerungsleitung des Reticon- Modells SAS-1024 sein, wie es von der Firma Reticon Corporation, Sunnyvale, California, USA, vertrieben wird.

Unter der Annahme, daß N₁ Hübe pro Sekunde durch die Pumpe 27 ausgeführt werden, gilt somit T_p=1/N₁. Der Impulsgenerator 155 erzeugt Zeitsteuerimpulse mit einer relativ hohen Impulsrate N₂, die ein Vielfaches von N₁ ist. Damit gilt N₂=KN₁, wobei K eine Konstante ist, die mit 512 gewählt ist. Wenn die Pumpe einen Hub pro Sekunde aus­ führt, dann wäre es erforderlich, daß der Signalgenera­ tor 512 Impulse pro Sekunde erzeugt. Es dürfte ersichtlich sein, daß die Impulsrate der Schlammpumpe 27 sich mit der Zeit ändert. Demgemäß wird N₂ sich derart ändern, daß sichergestellt ist, daß die durch das Verzögerungselement 152 hervorgerufene Verzögerung stets gleich einer Periode der Schlammdruckschwingungen ist, die durch die Schlamm­ pumpe 27 hervorgerufen werden.

Das vom dem Verzögerungselement 152 abgeleitete Signal F(t-T_p) wird einer Eingangsleitung 153 einer Subtrahier­ einrichtung 160 zugeführt. Die Subtrahiereinrichtung 160 nimmt außerdem über ihre Eingangsleitung 161 das Signal F(t) auf, welches von dem Filter 150 abgeleitet ist; die Subtrahiereinrichtung erzeugt auf ihrer Ausgangslei­ tung 162 ein Differenzsignal, welches folgender Beziehung genügt:

x(t) = F(t) - F(tT_p)
= B(t)-B(t-T_p)+P(t)-P(t-T_b)+U(t)-U(t-T_p) (23)

Da P(t) periodisch ist und eine Periodendauer von T_p aufweist, gilt die Beziehung

P(t)-P(t-T_p)=0 (24)

Mit Rücksicht auf die Periodizität der durch die Schlammpumpe 27 hervorgerufenen Impulse ist somit die auf die Pumpe zurückgehende Störung eliminiert worden, und das auf der Ausgangsleitung 162 der Subtrahierein­ richtung 160 erhaltene Signal kann nunmehr wie folgt an­ gegeben werden:

x(t) = b(t) + u(t) (25)

wobei

b(t) = B(t) - B(t - T_p) (26)

das informationstragende Signal ist und wobei

u(t) = U(t) - U(t - T_p) (27)

das zufällige Störsignal ist.

Sowohl das informationstragende Signal b(t) als auch das Störsignal u(t) sind in Fig. 10C veranschaulicht. Damit kann nunmehr ersehen werden, daß durch Ausführen des Schrittes Nr. 1, wie er oben ausgeführt worden ist, das informationstragende Signal B(t), wie es in Fig. 10A veranschaulicht ist und das die Form einer Ventil-Signal­ welle aufweist, in ein anderes informationstragendes Signal b(t) umgesetzt ist, wie dies in Fig. 10C veran­ schaulicht ist. Das Signal b(t) wird als "Doppel-Signal­ welle" bezeichnet, und zwar im Gegensatz zu dem Signal B(t), welches eine "Ventil-Signalwelle" wiedergibt. Eine Doppel-Signalwelle umfaßt zwei Ventil-Signalwellen, wie die Ventil-Signalwellen "A" und "B" gemäß Fig. 10C. Diese Ventil-Signalwellen sind durch ein Zeitintervall T_p von­ einander getrennt. Die Ventil-Signalwelle "A" ist ähnlich der Ventilwelle gemäß Fig. 10A, während die Ventil-Signal­ welle "B" die invertierte Form der Ventil-Signalwelle "A" darstellt.

Das Signal x(t) (Gleichung (25)) wird ferner der Eingangs­ seite 162 eines Analog-Digital-Wandlers 163 zugeführt, der von einer Takteinrichtung 178 her gesteuert wird. Auf einer Ausgangsleitung 164 des Analog-Digital-Wandlers erhält man ein Signal, welches folgender Beziehung genügt:

x_t=b_t+u_t (28)

Entsprechend der hier benutzten Symbolschreibweise handelt es sich bei den Größen x_t, b_t und u_t um digitale Versionen der Analog-Signale x(t), b(t) bzw. u(t). Die Signale x_t und u_t liegen vor in Form von Zeit-Reihen wie

x_t = (. . . x_-2, x_-1, x₀, x₁, . . ., x₉, . . .) (29)

bzw.
u_t=(. . . ux_-2, ux_-1, u₀, u₁, . . ., u₉, . . .) (30)

Das Signal b_t ist eine Signalwelle endlicher Länge

b_t=(b₀, b₁, b₂, . . ., b_n) (31)

XIII. Beseitigung der Rauschstörung, wenn die Rausch­ störung weißes Rauschen ist (Schritt Nr. 2)

Die Mischung einer Doppel-Signalwelle b_t und eines Rauschsignals u_t wird nunmehr einem eine Länge von (n+1) aufweisenden digitalen Filter 170 mit einer Speicherfunktion

a_t = (a₀, a₁, a₂, . . . a_n) (32)

zugeführt. Bei dieser Ausführungsform wird ein digitales Filter ausgewählt, welches als angepaßtes Filter bekannt ist. Die Speicherfunktion a_t wird so gewählt, daß der Betrieb des Filters optimiert ist. Optimale Bedingungen werden dann erzielt, wenn das Signal-Stör-Verhältnis am Ausgang des Filters 170 seinen Maximalwert aufweist. (Bezüglich einer Beschreibung von angepaßten Filtern sei beispielsweise auf die Veröffentlichung von Sven Treitel und E. A. Robinson in dem Buch "Optimum Digital Filters for Signal-to-Noise Ratio Enhacement", Geophysical Prospecting, Vol. 17, Nr. 3, 1969, Seiten 148 bis 193 oder auf eine Veröffentlichung von E. A. Robinson in "Statistical Communication and Detection with Special Reference to Digital Data Processing of Radar and Seismic Signals", Hafner Publishing Company, New York, N. Y., 1967, Sei­ ten 250 bis 269 hingewiesen).

Die Speicherfunktion a_t des angepaßten Filters 170 wird derart ausgelegt, daß sie so steuerbar ist, daß stets während der Meßoperationen die optimalen Bedingungen beim Betrieb des Filters gewährleistet sind. Die Steuerung des Filters erfolgt mittels eines Rechners 172, der die in Frage kommenden Daten aus einem Speicher- und Abruf­ element 173 in einer nachstehend noch näher zu beschrei­ benden Art und Weise aufnimmt.

Ein Signal y_t, das über die Ausgangsleitung 174 des ange­ paßten Filters 170 erhalten werden kann, kann als Faltung der Eingangsfunktion x_t und der Speicherfunktion a_t ausge­ drückt werden. Damit gilt die Beziehung

y_t = x_{t *} a_t = a₀x_t + a₁x_t-1 + . . . + a_tx_t-n (33)
wobei das Sternchen eine Faltung angibt. Durch Substituieren von x_t=b_t+u_t in die Gleichung (33) erhält man

y_t = c_t + v_t, (34)

wobei

c_t = b_{t *} a_t (35)

das Filter-Ansprechverhalten auf ein reines Eingangs­ signal und

v_t = u_{t *} a_t (36)

das Störungsausgangssignal bedeuten. Ein diese Beziehungen zeigendes schematisches Blockdiagramm ist in Fig. 11 veranschaulicht.

Um die optimalen Bedingungen beim Betrieb des angepaßten Filters bzw. Ausgleichsfilters 170 zu gewährleisten, wird eine bestimmte Zeitspanne, wie die Zeitspanne t=t₀, ge­ wählt, wobei es erforderlich ist, daß die augenblickliche Leistung im Filterausgangssignal zum Zeitpunkt t=t₀ so groß wie möglich bezogen auf die mittlere Leistung der zu diesem Zeitpunkt ausgefilterten Störung ist. Um das Signal c_t in dem ausgefilterten Ausgangssignal u_t zu er­ mitteln, wird somit das Signal-Stör-Verhältnis entsprechend folgender Beziehung benutzt:

Wenn man das eine Länge (n+1) aufweisende Signal (b₀, b₁, . . . b_n) mit dem (n+1)-Längen-Filter faltet bzw. einen Umlauf ausführen läßt, dann erhält man eine Ausgangs­ reihe (c₀, c₁, . . . c_n . . . c_2n-1, c_2n) mit einer Länge von (2n+1), wobei c_n der zentrale Wert dieser Ausgangsreihe ist. Damit wird zum Zeitpunkt t₀=t_n das betreffende Ver­ hältnis µ zu

wobei E{v_n²} der Mittelwert der Störungsausgangsleistung ist.

Es sei hier angenommen, daß die zufällige Störung bzw. das Störungsrauschen u_t ein weißes Rauschen ist. Dann kann gezeigt werden (siehe beispielsweise eine Veröffentlichung von Sven Treitel und E. A. Robinson "Optimum Digital Filters for Signal to Noise Ratio Enhancement", Geophysical Prospecting Vol. XVII, Nr. 3, 1969, Seite 240 bis 239), daß der Maximal­ wert des Signal-Rausch-Verhältnisses µ dann erhalten werden kann, wenn folgende Beziehung erfüllt ist:

(a₀, a₁, . . . a_n) = (kb_n, kb_n-1, . . . kb₀) (39)

wobei k mit 1 gewählt ist. Bei Vorhandensein eines im Rauschen gewissermaßen untergegangenen Signals können so­ mit in dem Fall, daß das Rauschen weißes Rauschen ist, optimale Bedingungen dann erzielt werden, wenn der Speicher des Filters durch das invertierte Signal gegeben ist, näm­ lich durch die Koeffizientenfolge (n_n, b_n-1, . . . b₀).

Der Speicher des Filters 170 ist zu sämtlichen Zeiten durch den Rechner 172 festgelegt, der mit dem Filter über einen Kanal 175 verbunden ist. Der Begriff "Kanal" im hier ge­ brauchten Sinne bezieht sich auf geeignete Leiter, Ver­ bindungen oder Übertragungseinrichtungen, wie dies im besonderen Fall gefordert ist. Ein Speicherungs- und Abruf­ element 173 dient zur Speicherung der Funktion b_t für eine anschließende Übertragung von b_t über den Kanal 176 zu dem Rechner 172 hin. Die Funktion des Rechners besteht darin, die durch eine Sequenz (b₀, b₁ . . . b_n) ausgedrückten Ein­ gangsdaten derart umzukehren, daß über den Ausgangskanal 175 des Rechners eine Sequenz (b_n, b_n-1 . . . b₀) abgegeben wird, die ihrerseits dem angepaßten Filter bzw. Ausgleichs­ filter über den Kanal 175 zugeführt und in diesem Filter als Speicher des Filters entsprechend der Gleichung (39) gespeichert wird.

Das auf der Ausgangsleitung 174 des angepaßten Filters 170 erhaltene gefilterte Ausgangssignal x_t wird ferner einem Digital-Analog-Wandler 181 zugeführt. Da y_t ein Signal in digitalisierter Form wiedergibt, wird auf der Ausgangs­ leitung 182 des Digital-Analog-Wandlers 181 die ent­ sprechende Analog-Funktion erhalten, die entsprechend der hier benutzten Symbolschreibweise mit y(t) bezeichnet wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Maximierung des Signal- Rausch-Verhältnisses in dem gefilterten Ausgangssignal y_t der Minimierung des Störsignals bzw. Rauschsignals v_t (oder des äquivalenten Analog-Signals v(t)) äquivalent ist, wenn ein Vergleich mit dem informationstragenden Signal c_t (oder dem äquivalenten Analog-Signal c(t)) vorgenommen wird. Damit gilt die Beziehung

v(t) « c(t) (40)

und außerdem gilt

y(t) ∼ c(t) ∼ b(t) (41)

Damit ähnelt die Ausgangsfunktion y(t) des angepaßten Filters gemäß Fig. 10D sehr nahe der Funktion b(t), wie sie in Fig. 10C veranschaulicht ist.

Eine bedeutende Eigenschaft der vorliegenden Erfindung umfaßt die Speicherung der Funktion b_t (für eine an­ schließende Wiedergabe), und zwar mittels des Speicher- und Abrufelementes 173. Das erforderliche Vorgehen zum Zwecke der Abspeicherung der Funktion b_t wird nunmehr in Verbindung mit Fig. 12 erläutert werden. Das Vorgehen umfaßt mehrere Schritte, und zwar folgende Schritte:

Schritt a:
Die Bohrvorgänge werden stillgesetzt, d. h., daß der Bohrmeißel 31 um eine kurze Strecke vom Boden angehoben wird. Die Bohrwinden bleiben stehen, und die Dreheinrichtung 21 wird hinsichtlich der Ausführung eines Drehvorgangs stillgesetzt.
Schritt b:
Die Pumpe 27 setzt den Betrieb wie während normaler Bohrvorgänge fort, d. h. mit einer gleichmäßigen Pumpenfördergeschwindigkeit und mit einem Pumpendruck, der kennzeichnend ist für jenen Druck, der während der eigent­ lichen "Messungen während den Bohrens" benutzt wird. Alle übrigen Störquellen, wie elektrische Wechselspannungs- Aufnehmer von Generatoren, der Betrieb von Kränen, etc. werden stillgesetzt. "Winden" und andere Störungsquellen sind im Falle von Offshore-Betriebsvorgängen soweit wie möglich eliminiert (wie durch Auswahl eines ruhigen Tages).
Schritt c:
Wie zuvor beschrieben und wie in Verbindung mit Fig. 5A veranschaulicht, wird die Codierung unterhalb der Erdoberfläche durch eine "Takteinrichtung" festgelegt, die in strengem Synchronismus mit der "Takteinrichtung" in der Anlage auf der Erdoberfläche steht. Demgemäß ist es auf der Erdoberfläche möglich, eine Feststellung dann zu treffen, wenn ein einzelner Impuls unterhalb der Erd­ oberfläche erzeugt wird, wie beispielsweise der Vorzeiger­ impuls. Außerdem ist die Übertragungsgeschwindigkeit durch die Schlammsäule bekannt, und ferner ist der exakte Zeit­ punkt bekannt, zu dem der hydraulische Impuls an der Ober­ fläche empfangen wird. Damit ist es möglich, eine einzige "Signalwelle" auf der Erdoberfläche aufzunehmen und im Vorhinein den Zeitpunkt anzugeben, zu dem die Signalwelle auftritt, obwohl sie durch Störung verdeckt sein könnte. (In vielen Fällen wird die einzelne Signalwelle über der Störung stehen, so daß eine visuelle Betrachtung auf einem Oszilloskop praktikabel ist.) Somit wird die durch das Ventil 40 erzeugte hydraulische Schwingung mit Hilfe des Wandlers 51 zu einem bekannten Zeitpunkt aufge­ nommen.
Schritt d:
Das durch den Wandler 51 aufgenommene Signal wird durch das Filter 150 geleitet, um selektiv Frequen­ zen im Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz weiterzuleiten. Da die Bohrvorgänge stillgesetzt sind (wie dies im Schritt a oben ausgeführt worden ist), ist das Störungsrauschen U(t) vernachlässigbar, und demgemäß liegt das am Ausgang des Filters 150 erhaltene Signal vor in der Form F(t)= B(t) + P(t).
Schritt e:
Das von dem Filter 150 erhaltene Signal F(t) wird durch das Verzögerungselement 152, die Subtrahierein­ richtung 60 und den Analog-Digital-Wandler 163 in einer Weise hindurchgeleitet, wie dies oben bereits erläutert worden ist. Üblicherweise wird bei Fortgang des Bohrens das am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 163 erhaltene Signal vorliegen in der Form x_t=b_t+u_t, wobei u_t das auf die Bohrvorgänge zurückgehende Rauschen bzw. die da­ durch hervorgerufene Störung zum Ausdruck bringt. Da hier jedoch ebenfalls die Bohrvorgänge stillgesetzt sind, ist das Rauschstörsignal u_t vernachlässigbar. Unter diesen Bedingungen gilt x_t∼b_t. Das Signal x_t kennzeichnet so nahe wie praktisch möglich ein "störungsfreies Signal", welches einer Signalwelle entspricht, die kennzeichnend ist für das informationstragende Signal.
Schritt f:
Die Funktion x_t∼b_t wird gespeichert. Die Betriebsschritte a, b, c, d, e und f, wie sie zuvor ausgeführt worden sind, werden mit Hilfe der in Fig. 12 angedeuteten Betriebsanordnung ausgeführt. Bei dieser Anordnung wird das Ausgangssignal des Analog-Digital- Wandlers 163 dem Eingang des Speicher- und Abrufelementes 173 zur Aufzeichnung von x_t∼b_t zugeführt.

Es sei darauf hingewiesen, daß in dem Frequenzbereich die Speicherfunktion a_t des angepaßten Filters 170 wie folgt angegeben werden kann:

A(f) = e^{2 π vfn} B _* (f) (42)

wobei f die Frequenz und B _* (f) die komplexe konjungierte Größe der Fourier-Transformation des Signals b_t bedeuten.

Die Beseitigung des Störungsrauschens für den Fall, daß die Störung weißes Rauschen ist, kann in gewissen Fällen mittels eines Autokorrelators anstatt mittels eines ange­ paßten Filters, wie des angepaßten Filters 170 gemäß Fig. 9, vorgenommen werden. Zu diesem Zweck sollte das in Fig. 9 dargestellte schematische Diagramm derart modi­ fiziert werden, daß das angepaßte Filter 174, der Rech­ ner 172 und das Speicher- und Abrufelement 173 weggelassen werden. Anstelle dieser Elemente würde ein Autokorrelator verwendet werden. Die Eingangsanschlüsse des Autokorrela­ tors würden an den Ausgangsleitungen 164 des Analog-Digital- Wandlers 163 angeschlossen werden. Zugleich würden die Aus­ gangsleitungen des Autokorrelators mit den Eingangslei­ tungen 174 des Digital-Analog-Wandlers 181 verbunden wer­ den. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers kann mittels des Verzögerungselementes 190, des Polaritäts­ wechselelementes 192, des UND-Gliedes 193, etc. verarbeitet werden, wie dies aus Fig. 9 ersichtlich ist. In gewissen Fällen kann jedoch das Ausgangssignal des Digital-Analog- Wandlers direkt einem Aufzeichnungsgerät zugeführt werden.

XIV. Transformation einer codierten Folge von Doppel- Signalwellen in eine codierte Folge von kurzen Impulsen (Schritt Nr. 3)

Im folgenden sei wieder die Betriebsanordnung gemäß Fig. 9 betrachtet. Wir haben nunmehr auf der Ausgangsleitung 182 des Digital-Analog-Wandlers 181 ein Signal erhalten, welches durch eine Funktion y(t) dargestellt ist, wie sie in Fig. 10D veranschaulicht ist und die eine Form ähnlich der der Doppel-Signalwelle b(t) aufweist. Dies bedeutet, daß die Beziehung y(t)∼b(t) erfüllt ist.

Die Funktion y(t)∼b(t) kennzeichnet ein einzelnes Bit in dem digitalisierten Signal, welches das Ventil 40 steuert bzw. betätigt. Es dürfte ersichtlich sein, daß eine derarti­ ge Funktion nicht sehr geeignet ist für die Darstellung eines sehr kurzen Zeitintervalls entsprechend einem einzi­ gen Öffnen und Schließen den Ventils 40. Es ist daher er­ forderlich, wie dies im Schritt Nr. 3 ausgeführt worden ist, eine Doppel-Signalwelle in einen einzigen kurzen Impuls zu transformieren, der mit dem Betrieb des Ventils koinzidiert auftritt. Zu diesem Zweck ist ein Verzögerungs­ element 190 vorgesehen, welches durch eine Takteinrich­ tung 191 in Kombination mit dem Polaritätswechselelement 192 und einem UND-Glied 193 (Konzidenznetzwerk) gesteuert wird, das in der auf Fig. 9 ersichtlichen Weise angeordnet ist. Das Verzögerungselement 190 nimmt über die Leitung 182 das Signal y(t) vom dem Digital-Analog-Wandler 181 her auf. Dieses Verzögerungselement wird durch eine Taktein­ richtung 191 derart gesteuert, daß auf der Ausgangslei­ tung 195 eine Verzögerung erzielt wird, die gleich der Zeitspanne T_m ist. Die verzögerte Funktion b(t-T_m), wie sie in Fig. 10E veranschaulicht ist, wird ferner über die Leitung 195 einem Polaritätswechselelement 192 zugeführt, um auf der Ausgangsleitung 197 dieses Elementes 192 eine invertierte verzögerte Doppel-Signalwelle zu er­ zeugen, wie sie mit -b(t-T_m) ausgedrückt und in Fig. 10F veranschaulicht ist.

Das Signal -b(t-T_m) wird über die Leitung 197 dem UND-Glied 193 zugeführt. Zur gleichen Zeit wird das vom Digital-Analog-Wandler 181 abgeleitete Signal b(t) über die Leitungen 182 und 200 dem UND-Glied 183 zugeführt.

Jedes der Signale b(t) und -b(t-T_m) umfaßt Impulse, die positive und negative Polarität aufweisen. Durch Vergleich des Signals b(t), wie es in Fig. 10D veran­ schaulicht ist, mit dem Signal -b(t-T_m), wie es in Fig. 10F veranschaulicht ist, kann ersehen werden, daß lediglich ein Impuls gemäß Fig. 10D vorhanden ist, der zeitlich koinzidiert mit dem Impuls gemäß Fig. 10F zu­ sammenfällt. Dieser Impuls tritt im Zeitintervall von t₃ bis t₄ gemäß Fig. 10D und von t₉ bis t₁₀ gemäß Fig. 10F auf. Es sei darauf hingewiesen, daß die Zeitpunkte t₃ bis t₉ zeitlich zusammenfallen, da die Beziehungen t₃=t₁+T_m und t₉=t₁+T_m gelten. In entsprechender Weise fallen die Zeitpunkte t₄ und t₁₀ zusammen, da t₄=t₁+T_n+T_m und t₁₀=t₁+T_n+T_m sind. Demgemäß wird ein einziger Koinzidenzimpuls aus der Doppel-Signal­ welle b(t) abgeleitet, wie dies in Fig. 10G veranschau­ lich ist. Damit erzeugt das UND-Glied 193, welches über seine Eingangsleitungen 200 und 197 Signale aufnimmt, die kennzeichnend sind für die Funktion b(t) bzw. -b(t-T_m), auf seiner Ausgangsleitung 210 einen einzigen Impuls, wie dies in Fig. 10G veranschaulicht ist.

Es sei daran erinnert, daß im Interesse der Einfachheit bei dieser Ausführungsform ein einziger Impuls dargestellt worden ist, der erzeugt worden ist und der weitgehend koinzident mit einer einzigen Öffnung und Schließung des Ventils auftritt. Es sei jedoch daran erinnert, daß beim tatsächlichen Bohren und der gleichzeitigen Ausführung einer Meßoperation auf der Ausgangsleitung 210 eine co­ dierte Folge von Einzelimpulsen erhältlich ist, die kenn­ zeichnend sind für eine Messung eines ausgewählten Para­ meters durch einen ausgewählten Fühler.

Die auf der Ausgangsleitung 210 des UND-Glieses 193 er­ haltene codierte Folge von Einzelimpulsen wird einem Digital-Analog-Wandler 211 zugeführt, der von einer Takt­ einrichtung 212 her gesteuert wird. Auf der Ausgangs­ leitung 214 des Digital-Analog-Wandlers 211 erhält man in analoger Form ein Signal, welches kennzeichnend ist für die Messung des ausgewählten Parameters. Dieses Signal wird mittels der Aufzeichnungseinrichtung 54 auf­ gezeichnet.

XV. Anwendung einer Kreuzkorrelation

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann anstelle eines angepaßten Filters bzw. Ausgleichfilters zur Störungsbeseitigung ein Kreuzkorrelator verwendet werden. Dabei existiert eine nahe Analogie zwischen der Schaltung bzw. Umkehrung zweier Funktionen, wie dies durch die Gleichung (20a) veranschaulicht ist, und der Kreuz­ korrelation. Unter einer Kreuzkorrelation wird eine Funk­ tion verstanden, die mit einer weiteren Funktion dasselbe Ergebnis liefert, wie es erzeugt würde, indem die erste Funktion durch ein Filter (angepaßtes Filter) geleitet würde, dessen Speicherfunktion die Umkehrung der zweiten Funktion ist. (In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf eine Veröffentlichung von N. A. Anstey "Correlation Techniques - A Review" Geophysical Prospecting Vol. 12, 1964, Seiten 355 bis 382, oder auf eine Veröffentlichung von Y. W. Lee in "Statistical Theory of Communication", John Wiley and Sons., New York, N. Y., 1960, Seite 45, hingewiesen).

In Fig. 13 ist gezeigt, wie dieselben Operationen, welche mittels eines angepaßten Filters ausgeführt werden können, auch durch einen Kreuzkorrelator 200 ausgeführt werden können. Der Kreuzkorrelator 200 ist mit zwei Eingangsan­ schlüsse 201 und 202 und einem Ausgangsanschluß 203 ver­ sehen. Das Signal x_t, welches von dem Analog-Digtal- Wandler 163 gewonnen wird, wird dem Eingangsanschluß 201 zugeführt, während das Signal b_t, welches von dem Speicher- und Abrufelement 173 gewonnen wird, dem Ein­ gangsanschluß 202 zugeführt wird. Damit wird auf der Aus­ gangsleitung 203 ein Signal erhalten, welches kennzeichnend ist für die Kreuzkorrelation von x_t und b_t. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß das auf der Ausgangsleitung 203 erhaltene Kreuzkorrelationssignal identisch ist mit dem Schaltungssignal y_t, wie dies durch die Gleichung (33) ausgedrückt und gemäß Fig. 9 von dem angepaßten Filter 170 geliefert wird. Das Kreuzkorrelationssignal wird in der­ selben Weise weiterverarbeitet, wie dies in Fig. 13 veran­ schaulicht ist, und zwar wie das Signal, welches von dem angepaßten Filter 170 bei der Anordnung gemäß Fig. 9 ver­ arbeitet worden ist. Der Kreuzkorrelator 200 kann eine Einrichtung des Typs sein, wie er als Modell 3721A von der Firma Hewlett Packard Company aus Palo Alto, Californien, USA, bekannt ist.

XVI. Beseitigung der Rauschstörung für den Fall, daß diese nicht durch weißes Rauschen gegeben ist

Wenn die Rauschstörung weißes Rauschen ist, dann ist die Autokorrelation q_t der Rauschfunktion für t≠0. Nun­ mehr sei der Fall betrachtet, daß die unerwünschte Störung u_t eine bekannte Autokorrelationsfunktion q_t aufweist, wo­ bei die Koeffizienten q_t nicht notwendigerweise Null sind für t≠0. Dies ist der Fall der "autokorrelierten Störung", und zwar im Gegensatz zu reinem weißen Rauschen, dessen lediglich nicht-verschwindender Autokorrelationskoeffizient q₀ ist. Eine geeignete Form eines angepaßten Filters und zugehöriger Komponenten ist in Fig. 14 veranschaulicht. In diesem Fall ist es erforderlich, nicht nur das informa­ tionstragende Signal b_t zu speichern (wie mittels des Elementes 173), sondern auch das Störsignal u_t. Demgemäß umfaßt die Anordnung nach Fig. 14 zwei Speicher- und Abruf­ elemente, die mit 173 und 224 bezeichnet sind. Das Speicher­ und Abrufelement 173 erfüllt eine Funktion, die identisch ist mit der des Elementes, welches ebenfalls mit 173 in Fig. 9 und 12 bezeichnet ist. Das betreffende Element dient dazu, die Funktion b_t zu speichern und anschließend zu erzeugen. Demgegenüber besteht die Funktion des Speicher- und Abrufelementes 224 darin, die Störungs­ funktion u_t zu speichern und anschließend wiederzugeben. Die für die Funktion b_t und u_t kennzeichnenden Daten, die aus den Speicherelementen 173 bzw. 224 erhalten werden, werden über die Kanäle 225 bzw. 226 einem Rechner 228 zu­ geführt. Die Funktion des Rechners 228 besteht darin, das von den Eingangsteilen 225 und 226 empfangene Eingangs­ signal in Daten zu transformieren, die erforderlich sind, um die Speicherfunktion des angepaßten Filters 220 zu be­ stimmen. Die zuletzt erwähnten Daten werden dem angepaßten Filter 220 über den Kanal 230 zugeführt.

Die Darstellung wird nunmehr dieselbe sein wie zuvor, allerdings mit der Ausnahme, daß man nunmehr berücksichti­ gen muß, daß die Störung u_t kein weißes Rauschen mehr ist. Die hier zu erläuternden angepaßten Filter sind im Sinne eines beliebigen Verstärkungsfaktors k unbestimmt, der der Einfachheit halber gleich Eins gesetzt ist.

Dieselbe Definition des Signal-Stör-Verhältnisses µ wird benutzt. Damit gilt

Es ist erwünscht, µ zu maximieren, und zwar unter der Annahme, daß die Eingangsstörung u_t von der auto-korre­ lierten Art ist. Es ist zweckmäßig, die Matrixschreib­ weise an dieser Stelle einzuführen. Mit der Beziehung

a = (a₀, a₁, . . . a_n (44)

sei der Zeilenvektor (n+1) bezeichnet, der den Speicher des angepaßten Filters 220 kennzeichnet. Ferner sei mit

b = (b_n, b_n-1 . . . b₀) (45)

der Zeilenvektor (n+1) bezeichnet, der die Zeitum­ kehrung des Signals b_t definiert. Außerdem sei

die (n+1) zu (n+1)-Autokorrelationsmatrix der Störung. Dann läßt sich schreiben:

wobei mit dem Apostroph (′) die Matrixwandlung bezeichnet ist.

Um µ zu meistern, wird die Größe (46) bezogen auf den Filtervektor a differenziert, und das Ergebnis wird gleich Null gesetzt.

Damit wird eine Beziehung

qa′ = b′ (47)

erhalten, die ausgeschrieben werden kann in der Form

Hierbei handelt es sich um die Matrixdarstellung einer Reihe von (n+1) linearen gleichzeitigen Gleichungen in den (n+1) unbekannten Filterkoeffizienten (a₀, a₁ . . . a_n). Die Lösung dieser Gleichung führt zu dem gewünschten optimalen angepaßten Filter hinsichtlich des Vorhandenseins der auto-korrelierten Störung. Die Gleichung (48) kann durch das Wiener-Levinson-Rekursionsverfahren gelöst werden (siehe N. Levinson "The Wiener RMS error criterion in Filter Design and Prediction", Journal of Mathematics and Physics 1947, Vol. 25, Seiten 261 bis 278 und S. Treitel und E. A. Robinson "Seismic Wave propagation in Terms of Communication Theory", Geophysics, 1966, Vol. 31, Seiten 17 bis 32). Diese rekursive Verfahrensweise ist sehr wirksam, und es ist daher möglich, angepaßte Filter großer Länge mittels des Rechners 228 zu berechnen. Die bekannten Größen bei dieser Berechnung sind die Störungs-Auto­ korrelationsmatrix q und die Zeitumkehrung der Signal­ welle b_n-t, während die unbekannten Größen die Filter­ koeffizienten a_t sind. Diese Filterkoeffizienten stellen die Speicherfunktion des angepaßten Filters 220 dar.

Die Berechnungen, die zur Bestimmung der Speicherfunktion des angepaßten Filters 220 erforderlich sind, werden durch den Rechner 228 ausgeführt. Der Rechner nimmt aus den Speicher- und Abrufelementen 173 und 224 Daten bezüglich der Funktionen b_t bzw. u_t auf. Auf die Aufnahme der Daten q_t hin wird die Störungs-Autokorrelationsmatrix berechnet, und auf die Aufnahme der Daten b_t wird die Zeitumkehrung dieses Signals bestimmt. Anschließend werden die unbekann­ ten Filterkoeffizienten a_t berechnet und dann über den Ausgangskanal 230 zu dem angepaßten Filter 220 hin über­ tragen.

Das Ausgangssignal des angepaßten Filters 220 wird einem Digital-Analog-Wandler 181 zugeführt und ferner in der­ selben Art und Weise verarbeitet wie das Ausgangssignal des angepaßten Filters 170, das in der Anordnung gemäß Fig. 9 verarbeitet worden ist.

Im Frequenzbereich kann die Speicherfunktion des angepaß­ ten Filters wie folgt angegeben werden:

Wobei B _* (f) die Fourrier-Transformation der Zeitumkehrung des Signals b=(b₀, b₁ . . . b_n) und Q(f) das Leistungs­ spektrum der Störung im Intervall (f+df) bedeuten. Die physikalische Bedeutung des Ausdrucks (49) ist einfach. Je größer das Amplitudenspektrum |B(f)| des Signals und je kleiner das Leistungsdichtespektrum Q(f) der Störung im Intervall (f, f+df) ist, um so mehr Frequenzen über­ trägt das angepaßte Filter in dem beteffenden Intervall. Wenn somit die Leistungsspektraldichte Q(f) der Störung in einem gewissen Intervall des Frequenzbandes gering ist, das von dem Signal eingenommen wird, dann ist das ange­ paßte Filter in diesem Intervall in wesentlichen transparent (dämpft sehr wenig).

Nunmehr seien die Signalspeicher- und Abrufelemente 173 und 224 betrachtet. Die Verfahrensweise, die erforderlich ist für die Speicherung des Signals b_t mit Hilfe des Elementes 173, ist zuvor in Verbindung mit den Schritten a bis f erläutert worden, wie sie durch die Anordnung gemäß Fig. 12 ausgeführt werden.

Eine andere Lösung ist nun erforderlich, um das Störungs­ signal u_t durch das Element 224 zu speichern. Wie zuvor in Verbindung mit Fig. 12 ausgeführt worden ist, ist es möglich, ein "störungsfreies Signal" zu erhalten und zu speichern. Aufgrund des Synchronismus zwischen den Takt­ einrichtungen unterhalb der Erdoberfläche und auf der Erdoberfläche, ist es in entsprechender Weise möglich, eine "signallose Störung" aufzunehmen und zu speichern, d. h. das von dem Wandler 51 aufgenommene Signal während des normalen Bohrvorgangs (welches Signal sämtliche Störungen enthält, die auf diesen Bohrvorgang zurück­ gehen, jedoch ohne ein informationstragendes Signal). In diesem Fall kann die Anordnung gemäß Fig. 12 ebenfalls dazu herangezogen werden, die erforderlichen Vorgänge zu veranschaulichen. Die Schritte zur Erzielung der Auf­ zeichnung der Funktion u(t) können wie folgt angegeben werden:

Schritt α:
Es wird auf das Bit Gewicht gelegt, und normale Bohroperationen werden durchgeführt.
Schritt β:
Es wird ein Zeitpunkt gewählt, zu dem kein informationstragendes Signal vorhanden ist, d. h. eine Pause zwischen Binärwörtern.
Schritt γ:
Es wird ein Signal erhalten, welches kenn­ zeichnend ist für die Druckänderung des Bohrfluids bei dem Wandler 51. Das Signal wird durch das Filter 150 übertragen. Aufgrund der beim obigen Schritt β gewählten Zeitspanne ist das Signal b(t) nicht vorhanden, und demge­ mäß weist das vom Ausgang des Filters 150 erhaltene Signal die Form F(t) = P(t) + U(t) auf.
Schritt δ:
Das Pumpenstörungssignal P(t) ist eliminiert. Erreicht wird dies mit Hilfe des Verzögerungselementes 152 und der Subtrahiereinrichtung 160. Sodann wird das resul­ tierende Signal an den Analog-Digital-Wandler 163 abge­ geben. Da kein informationstragendes Signal vorhanden ist, gilt b_t=0, und demgemäß weist das vom Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 163 erhaltene Signal die Form x_t = u_t auf.
Schritt ε:
Eine Aufzeichnung der Funktion x_t=u_t wird dadurch erzielt, daß das Speicher- und Abrufelement 224 am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 163 verwendet wird, wie dies in Fig. 12 veranschaulicht ist.

Zusammenfassend kann aus obigem festgestellt werden, daß ersichtlich geworden sein dürfte, daß dann, wenn die Störung durch weißes Rauschen gegeben ist, das angepaßte Filter 170 und die zugehörigen Komponenten gemäß Fig. 9 den optimalen Wert für das Signal-Rausch-Verhältnis µ garantieren. Wenn die Störung hingegen kein weißes Rauschen ist, jedoch eine bekannte Autokorrelationsfunktion aufweist, dann garantieren das angepaßte Filter 220 und die zugehörigen Komponenten gemäß Fig. 14 den optimalen Wert von µ.

XVII. Impulsformungsfilter vom Wiener-Typ

In Fig. 15 ist ein Teil der Oberflächenanordnung mit einem Filter veranschaulicht, welches nach einem Prinzip arbeitet, das verschieden ist von dem das angepaßten Filters gemäß Fig. 9 oder gemäß Fig. 14. Das angepaßte Filter gemäß Fig. 9 oder gemäß Fig. 14 ist in dem Sinne optimal, daß es ein lineares Filter ist, welches das Signal-Rausch-Verhältnis optimiert. Demgegenüber ist das Filter 240 gemäß Fig. 15, welches als Impulsformungsfilter oder Wiener-Filter ausgelegt ist, in dem Sinne optimal, daß es ein lineares Filter ist, welches die mittlere quadratische Differenz zwischen einem gewünschten Ausgangssignal und einem tatsächlichen Ausgangssignel minimiert. (Bezüglich einer Beschreibung eines derartigen Filters sei beispielsweise hingewiesen auf die Veröffentlichung von E. A. Robinson und Sven Treitel in "Principles of Digital Wiener Filtering", Geophysical Prospecting 15, 1967, Seiten 312 bis 333 oder auf eine Veröffentlichung von Sven Treitel und E. A. Robinson in "The Design of High-Resolution Digital Filters", IEEE Transactions on Geoscience Electronics, Vol. GE-4, Nr. 1, 1966, Seiten 25 bis 38.)

Das Impulsformungsfilter 240 gemäß Fig. 15 nimmt über seinen Eingangskanal Daten bezüglich der Funktion x_t=b_t+u_t auf, die von dem Analog-Digital-Wandler 163 abgeleitet sind. Das Impulsformungsfilter ist ein (m+1)- Längenfilter mit einem Speicher

f_t = (f₀, f₁ . . . f_m), (50)

welches im Sinne der niedrigsten Fehlerenergie das Eingangssignal x_t=(x₀, x₁ . . . x_n) mit einer Länge (n+1) in ein Ausgangssignal z_t=(z₀, z₁ . . . z_m+n) mit einer Länge (m+n+1) umsetzt. Ein Modell für ein derartiges Filter ist in Fig. 16 veranschaulicht. Bei diesem Modell treten drei Signale auf, nämlich: (1) Das Eingangssignal x_t, (2) das tatsächliche Ausgangssignal z_t und (3) das gewünschte Ausgangssignal b_t. Das Signal b_t ist eine Doppel-Signalwelle wie in Fig. 10C veranschaulich.

Das Ausgangssignal z_t ist eine Faltung der Filterspeicherfunktion f_t mit der Eingangsfunktion x_t, d. h.

z_t = f_{t *} x_t (51)

Das Problem besteht nun darin die Speicherfunktion f_t derart zu bestimmen, daß das tatsächliche Ausgangssignal z_t so nah wie möglich (im Sinne der niedrigsten Fehlerenergie) an das gewünschte Ausgangssignal b_t herankommt. Um die Speicherfunktion auszuwählen, wird die folgende Größe minimiert:

I=(Summe der quadratischen Fehler zwischen dem gewünschten Ausgangssignal und der gefilterten Signalwelle)+ν (Leistung der gefilterten Störung),

wobei ν ein vorher zugeteilter Gewichtsparameter ist.

Die zur Minimierung von I erforderlichen Berechnungen werden mit Hilfe des Rechners 245 ausgeführt, der mit drei Eingangskanälen 246, 247 und 248 versehen ist. Ein Speicher- und Abrufelement 173 überträgt dem Rechner 245 über den Kanal 246 Daten bezüglich der Funktion b_t. In entsprechender Weise überträgt das Speicher- und Abrufelement 224 zu dem Rechner 245 über den Kanal 247 Daten bezüglich der Funktion u_t. Der Kanal 248 wird dazu herangezogen, dem Rechner 245 Daten zuzuführen, welche die Funktion x_t betreffen. Diese Daten werden außerdem der Eingangsleitung 241 des Impulsformungsfilters 240 zugeführt.

Auf die Aufnahme der Eingangssignale b_t, u_t und x_t, die über die Kanäle 246, 247 bzw. 248 zugeführt werden, führt der Rechner 245 bestimmte Rechenvorgänge aus, auf die weiter unten noch eingegangen wird, um über den Ausgangskanal 251 an das Impulsformungsfilter 240 die erforderlichen Daten zu übertragen, welche die Speicherfunktion des Filters 240 betreffen. Damit ist das tatsächliche Filterausgangssignal z_t im Sinne der geringsten Fehlerenergie so nah wie möglich an das gewünschte Ausgangssignal b_t herangebracht. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß die Beziehung

z_t ∼ b_t (52)

gilt, wie dies in Fig. 10D veranschaulicht ist.

Nunmehr seien im einzelnen die Operationen betrachtet, die mit Hilfe des Rechners 245 ausgeführt werden. In Symbolen ausgedrückt ist die zu minimierende Größe I gegeben durch die Beziehung

wobei die Darstellung E { } den gesamten Mittelwert bedeutet und wobei

die gefilterte Störung bezeichnet. Durch Vereinfachen des Ausdrucks für I erhält man

Hier gilt

q_t-s = E {u_{τ -s} u_{τ -t}} (55)

wobei τ ein Leerzeitindex und q_t-s die Autokorrelation der empfangenen Störung bedeuten. Durch Differenzieren des Ausdrucks für I nach jedem der Filterkoeffizienten und durch Nullsetzen der Ableitungen wird eine Reihe von gleichzeitigen Gleichungen erhalten, die für t=1,2 . . . m gegeben sind durch die Beziehung

Bei den obigen Gleichungen sind die Größen r_t-s, q_t-s und g_t bekannt, während die Größen f_s unbekannt sind.

Die durch den Rechner 245 durchgeführten Rechnungen dienen der Bestimmung der Parameter r_t-s, q_t-s und g_t aus den Eingabefunktionen, die den Kanälen 248, 247 bzw. 246 zugeführt sind und sodann der Lösung der Gleichungen (56) nach den unbekannten Größen f_s. Die Parameter r_t-s, q_t-s, ν und g_t sind wie folgt definiert:
Der Parameter r_t-s stellt die Autokorrelation des Eingangssignals x_t dar, welches dem Rechner 245 über den Kanal 248 zugeführt wird. Der Parameter q_t ist die Autokorrelation des Störungssignals u_t, welches dem Rechner 245 über den Kanal 247 zugeführt wird. Die Parameter g_t sind als Querproduktkoeffizienten zwischen dem gewünschten Ausgangssignal b_t und dem Eingangssignal x_t definiert.

Damit gilt die Beziehung

für t=0, 1, 2 . . . m. In dem Ausdruck für g_t wird das gewünschte Ausgangssignal b_s dem Rechner 245 über den Kanal 246 zugeführt, und das Eingangssignal x_t wird über den Kanal 248 zugeführt. Das Parameter ν ist ein Gewichtsparameter, dem ein geeigneter Wert zugeteilt ist, wie dies noch näher erläutert werden wird.

Damit werden die Parameter r_t-s, q_t-s und g_t durch den Rechner 245 bestimmt, und der Rechner löst sodann die Gleichungen, indem er in dem Ausgangssignal 251 die Größen f_s liefert. Diese Größen werden dem Speicher des Impulsformungsfilters 240 zugeführt. Das tatsächliche Ausgangssignal z_t des Filters 240 ist im Sinne der geringsten Energie so nah wie möglich an das gewünschte Ausgangssignal b_t herangeführt.

Da die Matrix der Gleichung, nämlich die Matrix [r_t-s+νq_t-s] die Form einer Autokorrelationsmatrix aufweist, können diese Gleichungen wirksam durch die Rekursionsmethode gelöst werden. Diese Rekursionsmethode ist in den folgenden beiden Veröffentlichungen beschrieben worden: N. Levinson "The Winder RMS (root mean square criterion) in Filter Design and Prediction", Appendix B of N. Wiener, "Extrapolation, Interpolation, and Smoothing of Stationary Time Series", John Wiley, New York, N. Y. 1949 und Enders A. Robinson in "Statistical Communication and Detection with Special Reference on Digital Data Processing of Radar and Seismic Signals", Seiten 274 bis 279, Hafner Publishing Company, New York, N. Y. 1967.

Es sei darauf hingewiesen, daß die zur Lösung der obigen gleichzeitigen Gleichungen für ein Filter mit m Koeffizienten erforderliche Maschinenzeit proportional zu m² bei dem Rekursionsverfahren ist, und zwar im Vergleich zu m³ bei Anwendung des konventionellen Verfahrens zur Lösung der Simultangleichungen. Ein weiterer Vorteil durch die Anwendung dieses Rekursionsverfahrens besteht darin, daß lediglich Speicherplatz erforderlich ist, der zu m proportional ist anstatt zu m², wie im Falle konventioneller Verfahren.

Bei der Auslegung eines Impulsformungsfilters können zwei Forderungen berücksichtigt werden, nämlich

• a) die Funktion z_t so nah wie möglich an die gewünschte Funktion b_t zu formen,
• b) eine so geringe wie mögliche Ausgangsleistung für den Fall zu erzeugen, daß die feststehende Störung das einzige Eingangssignal ist.

In vielen praktischen Fällen ist ein Filter erforderlich, um die beiden obigen Forderungen gleichzeitig zu erfüllen. Damit ist man aber mit dem Problem befaßt, irgendeinen geeigneten Kompromiß zwischen den beiden Forderungen zu finden. Damit wählt man einen geeigneten Wert für den Parameter ν, der zur Zuteilung des relativen Gewichts zwischen diese beiden Forderungen mit sich bringt.

Es gibt Fälle, bei denen die Größe ν der Wert Null zugeteilt ist. In einem derartigen Fall nimmt der Ausdruck (53) eine einfachere Form an, nämlich die Form

wobei der Rechner 245 die Datendarstellung u_t nicht benötigt. In einem derartigen Fall ist das Speicher- und Abrufelement 224 gemäß Fig. 15 weggelassen, und damit ist der Rechner 245 mit zwei Eingangskanälen versehen, nämlich mit dem Kanal 246 und mit dem Kanal 248.

Es dürfte nunmehr einzusehen sein, daß die Leistungen eines Impulsformungsfilters und eines angepaßten Filters nicht genau gleich sind. Das bedeutet, daß für ein vorgegebenes Eingangssignal die Ausgangssignale dieser Filter nicht identisch sind. Der Ausdruck y_t∼b_t, der auf ein angepaßtes Filter anwendbar ist, ist oben dazu herangezogen worden, eine Anzeige dafür zu liefern, daß das durch y_t ausgedrückte Signal (welches das Ausgangssignal eines angepaßten Filters wiedergibt) sich dicht an die Doppel-Signalwelle b_t annähert. Demgemäß ist darauf hingewiesen worden, daß dieselbe Kurvendarstellung gemäß Fig. 10D sowohl die Funktionen y(t) kennzeichnet als auch die Funktionen b(t). Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Ausdruck y_t∼b_t, der auf ein Impulsformungsfilter anwendbar ist, oben dazu benutzt worden ist anzuzeigen, daß das durch z_t ausgedrückte Signal (welches das Ausgangssignal eines Impulsformungsfilters wiedergibt) sich dicht an die Doppel-Signalwelle b_t annähert. Demgemäß ist darauf hingewiesen worden, daß dieselbe Kurvendarstellung in Fig. 10D kennzeichnend ist sowohl für die Funktion z(t) als auch für die Funktion b(t). Genau gesagt sollte dieselbe Kurvendarstellung gemäß Fig. 10D nicht zur Darstellung der Funktionen b(t), y(t) und z(t) benutzt werden. Da die beiden Funktionen y(t) und z(t) jedoch nahe an die Funktion b(t) approximiert sind, wird es jedoch als für den Zweck der Erläuterung ausreichend bzw. geeignet erachtet, dieselbe Kurvendarstellung gemäß Fig. 10D zur Erläuterung der Leistung eines angepaßten Filters und eines Impulsformungsfilters heranzuziehen.

XVIII. Signalwellen-Impulsspitzen

Nunmehr sei die Betriebsanordnung betrachtet, wie sie durch Fig. 17 veranschaulicht ist. Auf der Ausgangsleitung 162 der Subtrahiereinrichtung 160 wird sowohl das informationstragende Signal b(t) als auch das Störsignal u(t) erhalten. Das Signal b(t) ist die in Fig. 10C dargestellte Doppel-Signalwelle. Die Mischung der Signale b(t) und u(t) wird dem Analog-Digital-Wandler 163 zugeführt, wodurch auf der Ausgangsleitung 164 des Wandlers digitalisierte Signale b_t und u_t erzeugt werden. Diese Signale entsprechen den Analog-Signalen b(t) bzw. u(t). Das Signalgemisch dieser beiden Signale b_t und u_t wird dann der Eingangsleitung 300 eines Impulsspitzenfilters 351 zugeführt. Das Impulsspitzenfilter ist ein besonderer Fall des Impulsformungsfilters vom Wiener-Typ, bei dem die gewünschte Form einfach eine Impulsspitze ist. (Bezüglich der Beschreibung eines Impulsspitzenfilters sei beispielsweise auf die Veröffentlichung von S. Treitel und E. A. Robinson in "The Design of High-Resolution Digital Filter" in IEEE Transactions on Geoscience Electronics, Vol. GE-4, Nr. 1, 1966, Seiten 25 bis 38 hingewiesen.)

Es sei nunmehr daran erinnert, daß eine Doppel-Signalwelle b(t) wie sie in Fig. 10C veranschaulicht ist, aus zwei Ventil-Signalwellen besteht, d. h. aus einer Ventil- Signalwelle "A" und aus einer Ventil-Signalwelle "B". Die Ventil-Signalwelle "B" folgt der Ventil-Signalwelle "A" nach einer Zeitspanne von T_p. Die Funktion des bei der Ausführungsform gemäß Fig. 17 zu verwendenden Impulsspitzenfilters besteht nun darin, die Ventil-Signalwelle "A" sowie die Ventil-Signalwelle "B" in eine entsprechende deutlich aufgelöste Impulsspitze umzusetzen. Demgemäß wird eine Doppel-Ventil-Signalwelle b_t mittels des Impulsspitzenfilters 351 in zwei Impulsspitzen umgesetzt.

In Fig. 18A bis 18F sind sechs mögliche Positionen zweier Impulsspitzen (wie der Impulsspitzen M1 und N1) im Hinblick auf die Doppel-Signalwelle veranschaulicht, die dem Eingangsanschluß 300 des Impulsspitzenfilters 351 zugeführt wird. Mit T_k ist das Zeitintervall zwischen den Impulsspitzen M1 und N1 bezeichnet; diese Zeitspanne ist bei sämtlichen Fig. 18A bis 18F dieselbe. Mit H1 ist der Schnittpunkt der Impulsspitze M1 mit der Abszissenachse bezeichnet (ausgedrückt in Millisekunden). Demgemäß kennzeichnet die Strecke OH1 (in Millisekunden) die Zeitverzögerung der Impulsspitzen bezogen auf die Doppel- Signalwelle. Gemäß Fig. 18 ist die zeitliche Nacheilung bzw. Verzögerung OH1=0 gewählt, was bedeutet, daß die Anfangsimpulsspitze M1 überhaupt an den Anfang der Doppel- Signalwelle gelegt ist. Die fünf in Fig. 18B bis 18F gezeigten Fälle entsprechen zunehmenden Werten der Zeitverzögerung bzw. Zeitnacheilung OH1. Eine dieser Figuren gibt den optimalen Wert der zeitlichen Nacheilung wieder, bei der die Auflösung des Impulsspitzenfilters am höchsten ist. Bei einer derartigen optimalen zeitlichen Nacheilung ist das von dem Impulsspitzenfilter abgeleitete Ausgangssignal deutlich schärfer als bei irgendeiner anderen zeitlichen Nacheilung. Ein Vorgehen zur Erzielung des optimalen Wertes für die zeitliche Nacheilung, der optimalen Länge des Speichers des Filters und des optimalen Wertes des Zeitintervalls T_k wird weiter unten noch näher erläutert werden.

Eine am Ausgangsanschluß des Impulsspitzenfilters 351 erhaltene Doppel-Impulsspitze ist kennzeichnend für ein einzelnes Bit in dem digitalisierten Signal, welches das Ventil 40 steuert bzw. betreibt. Es ist wünschenswert, wie im Zusammenhang mit Fig. 9 bereits ausgeführt worden ist, eine Doppel-Impulsspitze in eine Einzel-Impulsspitze oder in einen Impuls umzusetzen. Dazu wird hier ein Verarbeitungssystem ähnlich dem in Fig. 9 dargestellten System angewandt (siehe Abschnitt XIV mit dem Titel "Umsetzung einer codierten Folge von Doppel-Signalwellen in eine codierte Folge von kurzen Impulsen - Schritt Nr. 3"). Demgemäß ist ein Verzögerungselement 303 vorgesehen, welches durch eine Takteinrichtung 304 gesteuert wird, und zwar in Kombination mit einem Polaritätswechselelement 306 und einem UND-Glied (Koinzidenznetzwerk) 307. Diese Elemente sind in ähnlicher Weise angeordnet, wie dies in Fig. 9 veranschaulicht ist. Die Verzögerungslänge bei der Anordnung gemäß Fig. 17 ist jedoch verschieden von der bei der Anordnung gemäß Fig. 9. Nach Fig. 17 sollte nämlich das Verzögerungselement 303 ein Ausgangssignal erzeugen, welches bezogen auf das Eingangssignal um eine Größe T_k verzögert ist, während gemäß Fig. 9 die durch das entsprechende Verzögerungselement 193 erzeugte Verzögerung einen Wert von T_m aufweist.

Eine codierte Folge von Einzelimpulsen wird über die Ausgangsleitung des UND-Gliedes 307 einem durch eine Takteinrichtung 309 gesteuerten Digital-Analog-Wandler 308 zugeführt. Auf der Ausgangsleitung des Digital-Analog-Wandlers 308 erhält man in analoger Form ein Signal, welches kennzeichnend ist für das Maß eines ausgewählten Parameters in dem Bohrloch. Dieses Signal wird mit Hilfe der Aufzeichnungseinrichtung 54 aufgezeichnet.

Es sei darauf hingewiesen, daß in Abhängigkeit von der für die verschiedenen Blöcke gemäß Fig. 17 verwendeten speziellen elektronischen Schaltungsanordnung in gewissen Fällen das Polaritätswechselelement 306 nicht erforderlich sein mag, da dessen Funktion durch geeignete Auslegung des UND-Gliedes ausgeführt werden kann.

In Fig. 19 ist eine alternative Anordnung zur Strömungsbeseitigung mittels eines Impulsspitzenfilters veranschaulicht. Gemäß Fig. 17 war eine Spezialeinrichtung vorgesehen, um die Pumpenstörung zu beseitigen (d. h. das Verzögerungselement 152 in Kombination mit der Subtrahiereinrichtung 160). Demgegenüber ist gemäß Fig. 19 die Verfahrensweise zur Störbeseitigung vereinfacht worden. Danach ist die Signalverarbeitung mit einem Verzögerungselement 152 und einer Subtrahiereinrichtung 160 weggelassen. Gemäß Fig. 19 wird das vom Ausgangsanschluß 151 des Filters 150 erhaltene Signal F(t) mittels eines Analog-Digital-Wandlers 350 digitalisiert und dann einem Impulsspitzenfilter 351a zugeführt. Das Impulsspitzenfilter 351a ist anders ausgelegt als das Impulsspitzenfilter 351 gemäß Fig. 17. Nach Fig. 17 war das Impulsspitzenfilter 351 so ausgelegt, daß es eine Doppel- Signalwelle, wie sie in Fig. 18A bis 18F veranschaulicht ist, in zwei Impulsspitzen umsetzte, die voneinander um ein Zeitintervall T_k getrennt sind. Demgegenüber ist das Impulsspitzenfilter 351a gemäß Fig. 19 so ausgelegt, daß eine einzelne Ventil-Signalwelle in eine einzige Impulsspitze umgesetzt wird. In Fig. 20A bis 20F sind verschiedene Lagen einer einzelnen Impulsspitze bezogen auf eine einzelne Ventil-Signalwelle veranschaulicht.

Es sei nunmehr daran erinnert, daß jede dem Eingangsanschluß des Filters 351a zugeführte einzelne Ventil-Signalwelle und jede von Ausgangsanschluß des Filters 351a erhaltene einzelne Impulsspitze kennzeichnend sind für ein einzelnes Bit in den digitalisierten Signalen, die das Ventil 40 steuern. Die codierte Folge der Impulsspitzen in dem digitalisierten Format, wie es vom Ausgangsanschluß des Impulsspitzenfilters 351 erhalten wird, wird dann einem Digital-Analog-Wandler 352 zugeführt, in welchem eine Transformation in eine codierte Folge von Impulsspitzen erfolgt, deren jede kennzeichnend ist für ein einzelnes Bit der Information, die in dem unter der Erdoberfläche befindlichen Gerät codiert worden ist. Die Folge dieser Bits kennzeichnet in einem digitalen Format die Meßgröße des ausgewählten Parameters. Es ist jedoch für Aufzeichnungs- und/oder Anzeigezwecke erforderlich, diese Meßgröße in einer analogen Form darzustellen. Demgemäß wird das vom Digital-Analog-Wandler 352 her erhaltene Signal einem Digital-Analog-Wandler 362 zugeführt, um an dessen Ausgang ein Signal mit einer Größe zu erzeugen, die kennzeichnend ist für das Meßsignal des ausgewählten Parameters. Dieses Signal wird mit Hilfe der Aufzeichnungseinrichtung 54 aufgezeichnet.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Umsetzung einer Doppel- Signalwelle in zwei Impulsspitzen mittels des Impulsspitzenfilters 351 gemäß Fig. 17 oder die Umwandlung einer einzelnen Ventil-Signalwelle in eine einzelne Impulsspitze mittels des Impulsspitzenfilters 351a gemäß Fig. 19 lediglich approximiert werden kann. Eine reine Impulsspitze, d. h. eine Deltafunktion, kann nicht erhalten werden. Das Ziel dieser Erfindung besteht jedoch darin, die Auflösung zu verbessern, d. h. ein Ausgangssignal zu liefern, welches deutlich schärfer ist als das Eingangssignal.

Nunmehr sei die Art und Weise betrachtet, in der ein Impulsspitzenfilter ausgelegt werden sollte. In der Theorie kann dieser Zweck exakt dann erreicht werden, wenn ein Filter verwendet werden könnte, dessen Speicherfunktion unendlich lang sein könnte. Für die Erzielung einer exakten Filterleistung müssen außerdem im allgemeinen die gewünschten Impulsspitzen um eine endliche Verzögerungszeitspanne bezogen auf die Eingangs-Signale verzögert werden (siehe Veröffentlichung von J. C. Clearbout und E. A. Robinson in "The Error in Least Squares Inverse Filtering", Geophysics, Vol. 29, 1964, Seiten 118 bis 120). In der Praxis ist es erforderlich, ein digitales Filter so auszulegen, daß dessen Speicherfunktion eine endliche Dauer aufweist und damit bestenfalls das Ziel angenähert erreichen kann.

Aus praktischen Gründen sei angenommen, daß der Wunsch besteht, ein Filter zu betrachten, welches eine Speicherfunktion mit einer Größenordnung von der Dauer einer Eingangssignalwelle aufweist. Es sei angenommen, daß die Freiheit besteht, die gewünschte Impulsspitze an irgendeiner ausgewählten Stelle unterzubringen. Die Fig. 18A bis 18F zeigen beispielsweise sechs mögliche Lagen oder Positionen der Impulsspitzen für ein Impulsspitzenfilter 301 gemäß Fig. 17. In entsprechender Weise zeigen die Fig. 20A bis 20F sechs mögliche Positionen von Impulsspitzen für das Impulsspitzenfilter 351 gemäß Fig. 19. Die optimale Lage der Impulsspitzen wurde für jeden dieser Fälle bestimmt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Position der Impulsspitze ein wesentlicher Faktor ist, der die Qualität bestimmt, mit der das tatsächliche Ausgangssignal der gewünschten Impulsspitze ähnelt.

Ein Impulsspitzenfilter stellt einen besonderen Fall eines Impulsformungsfilters vom Wiener-Typ dar, wie es zuvor beschrieben worden ist. Demgemäß sind die zur Auslegung eines derartigen Filters erforderlichen Prozeduren analog jenen, die zuvor beschrieben worden sind. Dabei ist man mit der Bestimmung der geringsten Fehlerenergie für ein Filter befaßt, dessen Ausgangssignal eine Impulsspitze ist.

Um den optimalen Wert der zeitlichen Nacheilung und die optimale Länge der Speicherfunktion für das Impulsspitzenfilter 301 gemäß Fig. 17 zu bestimmen, ist es erforderlich, eine Aufzeichnung einer Doppel-Signalwelle b_t zu erhalten (bei der es sich um eine digitale Version von b(t) handelt). Die erforderlichen Schritte zur Erzielung einer derartigen Aufzeichnung, d. h. die Schritte a, b, c, d, e und f, sind zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 12 erläutert worden. Demgemäß wird die Aufzeichnung von b_t in dem Element 173 bei der Anordnung gemäß Fig. 12 gespeichert. Um den optimalen Wert der zeitlichen Nacheilung und die optimale Länge der Speicherfunktion für das Impulsspitzenfilter 351a zu bestimmen, ist es in entsprechender Weise erforderlich, eine Aufzeichnung einer einzelnen Ventil-Signalwelle B_t zu erhalten (bei der es sich um eine digitale Version von B(t) handelt).

Im folgenden sei das Impulsspitzenfilter 351a gemäß Fig. 19 betrachtet. Verschiedene Positionen einer Impulsspitze entsprechen verschiedenen Verzögerungen (Fig. 20A bis 20F) können wie folgt ausgedrückt werden:

(1,0,0 . . . 0,0): Impulsspitze beim Zeitindex - oder Nullverzögerung-Impulsspitzenfilter.
(0,1,0 . . . 1,0): Impulsspitze beim Zeitindex m+n-1 oder (m+m-1)-Verzögerungs-Impulsspitzenfilter.
(0,0 . . . 0,1): Impulsspitze beim Zeitindex m+n; (m+m)- Verzögerungs-Impulsspitzenfilter.

Die Leistung eines Impulsspitzenfilters entsprechend verschiedenen Verzögerungen ist schematisch in Fig. 21A, 21B und 21C verdeutlicht. Bei allen diesen Figuren ist die Eingangs-Signalwelle dieselbe. Dies bedeutet, daß die Ventil-Signalwelle B_t in der oben erläuterten Weise aufgezeichnet und gespeichert worden ist. Das gewünschte Ausgangssignal gemäß Fig. 21A ist eine Impulsspitze (1,0,0), d. h. eine Impulsspitze mit einer Null-Verzögerung. Die entsprechende Speicherfunktion für ein Null-Verzögerungs- Impulsspitzenfilter beträgt F⁰=(F₁⁰, F₂⁰, F₃⁰ . . . F_n⁰), und das tatsächliche Ausgangssignal ist gegeben durch W_t⁰=(W₁⁰, W₂⁰ . . . W_n⁰). Eine entsprechende Schreibweise ist auf Fig. 21B und 21C anwendbar, wie dies in diesen Figuren veranschaulicht ist. Jeder Position der Impulsspitze entspricht ein Energiefehler E. Der normalisierte minimale Energiefehler E charakterisiert einen sehr bequemen Weg, die Leistung eines Impulsformungsfilters vom Wiener-Typ zu messen und insbesondere eines Impulsspitzenfilters. Wenn das Filter genau E=0 erfüllt, bedeutet dies, daß das gewünschte Filterausgangssignal und das tatsächliche Filterausgangssignal für sämtliche Zeitwerte übereinstimmen. Demgegenüber entspricht der Fall E=1 dem schlechtestmöglichen Fall, was bedeutet, daß überhaupt keine Übereinstimmung zwischen dem gewünschten Ausgangssignal und dem tatsächlichen Ausgangssignal vorhanden ist. Anstelle der Größe E ist es wünschenswert, das Einerkomplement von E zu berücksichtigen, was als Filterleistungsparameter P bezeichnet wird. Dieser Parameter genügt der Beziehung

P = 1 - E (46)

Eine perfekte Filterleistung tritt dann auf, wenn P=1 ist, während der schlechtestmögliche Fall dann auftritt, wenn P=0 ist.

Fig. 22 veranschaulicht schematisch den Vorgang des Messens des Leistungsparameters P. Ein Rechner 400 ist mit drei Eingangskanälen 401, 402 und 404 versehen. Der Eingangskanal 401 erhält von dem Speicher- und Abrufelement 403 Daten, die kennzeichnend sind für eine Ventil-Signalwelle B_t. Der Eingangskanal 402 erhält Zeitverzögerungs-Steuerdaten 405 bezüglich der Impulsspitzen für verschiedene Zeitverzögerungen. Der Eingangskanal 404 erhält Daten von der Speicherdauersteuerung 406 bezüglich der Impulsspitzen für verschiedene Speicherdauern. Die bei 410 vorgesehene Ausgangseinrichtung des Rechners 400 liefert mit Hilfe eines Meßgerätes 411 eine Meßgröße bezüglich des Leistungsparameters P.

Für eine konstante Filterdauer könnte man annehmen, daß zumindest ein Zeitverzögerungswert existieren muß, bei dem P so groß wie möglich ist. In Fig. 23 ist eine Kurvendarstellung von P der Ausgangssignalspitzen in Abhängigkeit von der Zeitverzögerung für eine Familie von Filtern mit festliegender Dauer gezeigt. Dabei zeigt sich, daß der höchste Kurvenpunkt (Punkt M1) einer Zeitverzögerung ON₁ entspricht, und daß die Wahl dieser Zeitspanne zu dem optimalen Zeitverzögerungs-Filter führt. Es sei daran erinnert, daß die Kurve gemäß Fig. 23 sich auf ein Filter mit fester Dauer bezieht.

Ferner kann ersehen werden, was geschieht, wenn man die Filterspeicherdauer bei einer konstanten zeitlichen Nacheilung bzw. Zeitverzögerung erhöht. In Fig. 24 ist eine Kurve von P in Abhängigkeit von der Filterlänge für eine gewünschte und festliegende Impulsspitzenzeitverzögerung veranschaulicht. Dabei kann ersehen werden, daß diese Kurve monoton verläuft und daß sie asymptotisch an den größten Wert von P sich annähert, wenn die Filterlänge größer und größer wird. Die in Fig. 23 und 24 dargestellten Kurvenverläufe werden mit Hilfe der schematisch in Fig. 22 dargestellten Anordnung erhalten.

Die beiden wichtigen Konstruktionskriterien, die hier diskutiert worden sind, sind die Filter-Zeitverzögerung und die Filterspeicherdauer. Man kann die Leistung dadurch stets steigern, daß die Speicherfunktionsdauer erhöht wird. Physikalische Erwägungen verhindern jedoch, diese Dauer unendlich lang zu machen. Demgegenüber kann man nach einer gewünschten Ausgangssignal-Zeitverzögerung suchen, die zu dem höchsten P-Wert bei einer vorgegebenen ausgewählten Filterdauer führt. Diese Zeitverzögerung bzw. zeitliche Nacheilung in dem Filterausgangssignal ist in keiner Weise von Nachteil und kann das Filterausgangssignal drastisch verbessern.

Der Filterleistungsparameter P als Funktion der Zeitverzögerung und einer konstanten Dauer (Fig. 23) oder der Parameter P als Funktion der Filter-Speicherdauer für eine konstante Zeitverzögerung (Fig. 24) sind von Nutzen, liefern jedoch keine vollständige Angabe. In idealer Weise würde man die Abhängigkeit der Größe P von der zeitlichen Nacheilung und Speicherdauer für sämtliche physikalisch vernünftigen Werte dieser Variablen untersuchen. Eine Möglichkeit dies vorzunehmen besteht darin, die Größe P aufzuzeichnen, indem die Filter-Zeitnacheilung als Ordinatenwert und die Filterspeicherdauer als Abszissenwert herangezogen wird. Die Reihe der P-Werte kann dann nachgezogen werden, so daß man auf einen Blick sieht, welche Kombination von zeitlicher Nacheilung bzw. Zeitverzögerung und Speicherdauer zu der optimalen Filterleistung führt. Ein derartiges Konturverzeichnis ist in Fig. 25 gezeigt. Die betreffende Darstellung zeigt dabei lediglich die Konturen für P1, P2 und P3. Ist man an größeren Werten von P interessiert, so wird, wie ohne weiteres ersichtlich ist, die beste Filterleistung erzielt. Diese Anzeige ermöglicht, die beste Kombination von Filter-Zeitverzögerung und Speicherdauer durch Betrachtung auszuwählen.

XIX. Impulszeitcode

Obwohl bei den gezeigten Ausführungsbeispielen Telemetrie systeme unter Verwendung 41556 00070 552 001000280000000200012000285914144500040 0002003031599 00004 41437eines Binärcodesystems beschrieben worden sind, sind zuweilen auch andere Codes geeignet. So kann beispielsweise ein Gammastrahlenfühler oder ein elektronischer Inklinationskompaß einen Impuls-Zeit-Code vorzugsweise verwenden. In gewissen Fällen, und zwar insbesondere in jeden Fällen, in denen die sequentielle Übertragung mehrerer Zahlen erforderlich ist, weist ein Impuls- Zeit-Code Vorteile auf. Bei einigen Anordnungen eines elektronischen Kompasses ist es erforderlich, sequentiell fünf Zahlen zu übertragen, um die magnetische Mißweisung zu messen. Durch Anwendung eines Telemetriesystems auf der Grundlage eines Impuls-Zeit-Codes kann eine erhebliche Einsparung sowohl hinsichtlich der von der Batterie benötigten Energie als auch hinsichtlich der Zeit erzielt werden, die für die Übertragung von Daten benötigt wird.

Ein herkömmliches Impuls-Zeit-Code-Übertragungssystem ist in Fig. 26A veranschaulicht (welches beispielsweise für die Übertragung der Werte von drei Parametern dient). Eine Reihe von Spannungsimpulsen wird dabei übertragen, und die Zeitdauer (t1, t2, t3) jedes Impulses a, b, c ist kennzeichnend (z. B. proportional oder umgekehrt proportional) der Höhe des übertragenen Parameters. Es sei darauf hingewiesen, daß nach jedem Impuls eine zeitliche Pause erforderlich ist, um das Ende eines Impulses vom Anfang des nächsten Impulses zu trennen. Demgemäß sind die Impulse a, b, c gemäß Fig. 26A etwa analog drei binären "Wörtern", die um ein Zeitintervall T_w vom jeweils nächsten Wort getrennt sind. Diese Pausen stellen selbstverständlich einen Nachteil für eine schnelle Datenübertragung dar, da die Pause selbst keine Information führt. Darüber hinaus stehen Impulse langer Dauer im Widerspruch zu dem Telemetriesystem gemäß der Erfindung.

Es wird nun ein Typ von Impuls-Zeit-Code vorgeschlagen, wie er aus Fig. 26B hervorgeht. Bei diesem System stellt nicht die Impulsdauer ein Maß des Parameters dar, sondern die Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden sehr kurzen Impulsen. Anstelle der Übertragung von langen Impulsen mit variabler Dauer werden lediglich kurze Impulse mit weitgehend konstanter Dauer (bei dem Telemetriesystem gemäß der Erfindung sind es mehrere Millisekunden dauernde Impulse) übertragen, wobei die Zeitspanne zwischen den Impulsen das Maß der Parametergröße darstellt. Demgemäß ist keine Zeit erforderlich, um ein Zeitintervall (welches kennzeichnend ist für einen Parameter) zum nächsten Zeitintervall zu trennen. Gemäß Fig. 26B wird der Parameter Nr. 1 dargestellt durch die Zeitspanne t1 zwischen dem Impuls P₀ und dem Impuls P₁. Der Parameter Nr. 2 wird dargestellt durch die Zeitspanne t2 zwischen dem Impuls P₁ und dem Impuls P₂, und der Parameter Nr. 3 wird durch die Zeitspanne t3 zwischen dem Impuls P₂ und dem Impuls P₃ darstellt. Dabei zeigt sich, daß bei dem obigen Beispiel der Impuls P₁ das Ende des Zeitintervalls t1 kennzeichnet und außerdem den Anfang des Zeitintervalls t2, und daß der Impuls P₂ kennzeichnend ist für das Ende des Zeitintervalls t2 und auch für den Anfang des Zeitintervalls t3, etc. Demgemäß geht keine Zeit zwischen jedem wesentlichen Zeitintervall verloren (was bedeutet, daß T_w gemäß Fig. 26A Null ist).

Damit kann ersehen werden, daß durch Heranziehung der Impulse P₁, P₂, P₃, die sowohl das Ende eines Zeitintervalls als auch den Anfang des nächsten Zeitintervalls bezeichnen, die Verlustzeit (nicht ausgenutzte Zeit) Null ist. Die gesamte für die Datenübertragung benutzte Zeit (d. h. die Identifizierung der Zeitintervalle t1, t2, t3) stellt eine Nutzzeit dar. In Begriffen der binären Codierung wird jedes "Wort" (welches eine Zahl kennzeichnet) unmittelbar vom nächsten "Wort" gefolgt, usw. Dabei tritt lediglich am Ende einer Übertragungsfolge eine Pause Tp auf, und dann wiederholt sich die Sequenz. Bei der nächsten Sequenz bzw. Folge unterscheiden sich jedoch die Zeitintervalle zwischen P₀, P₁, P₂, P₃ üblicherweise etwas, da die durch die Zeitspannen t1, t2, t3 ausgedrückten Daten üblicherweise sich mit der Zeit ändern. Jede neue übertragene Folge von Daten kennzeichnet beispielsweise einen neuen Zustand in dem Bohrloch.

In Fig. 30 sind die Prinzipien der Schaltungsanordnung veranschaulicht, die den Impuls-Zeit-Code gemäß der Erfindung auszuführen vermag. Bei der praktischen Bohrloch- Instrumentierung würden selbstverständlich moderne elektronische integrierte Schaltungen verwendet werden (beispielsweise ein bilateraler Schalter des Typs CD4066), wie dies auch bezüglich Fig. 29 zutrifft. Zum Zwecke der erleichterten Erläuterung sind hier lediglich ein einfacher mechanischer Schrittschalter und ein einfaches mechanisches Relais veranschaulicht, so daß die Prinzipien der Verknüpfung des Systems einfach veranschaulicht werden können.

Gemäß Fig. 30 sind die Fühler mit den Schrittschalteranschlüssen 1, 2, 3 des Schrittschalters 285 verbunden, der, wie gezeigt, eine elektromagnetische Antriebswicklung 286 aufweist. Es sei angenommen, daß mit der Folge begonnen wird, bei der der Schrittschalter sich in der "Null" befindet, wie dies in Fig. 30 veranschaulich ist. Die Batterie 288 erzeugt eine Bezugsgleichspannung. Diese Gleichspannung tritt an dem Widerstand 289 auf und lädt den Kondensator 290 mit einer durch den Widerstandswert des Widerstandes 289, der Größe des Kondensators 290 und der Spannung der Batterie 288 bestimmten Geschwindigkeit. Mit 291 ist eine Triggerschaltung bezeichnet, die einen einzelnen scharfen elektrischen Impuls dann erzeugt, wenn die ihrem Eingang zugeführte Spannung einen bestimmten Wert (Triggerspannung) überschreitet. Das Ausgangssignal der Triggerschaltung 291 aktiviert die Wicklung 286, und der Arm 278 des Schrittschalters 285 bewegt sich zum nächsten Kontakt weiter (Nr. 1 in diesem Falle). Gleichzeitig betätigt die Triggerschaltung 291 augenblicklich das Relais 292, welches den Kondensator 290 nach Erde bzw. Masse hin entlädt. Wenn der Arm 287 von der Position "0" in die Position "1" bewegt ist, wiederholt sich der Vorgang selbst, allerdings mit der Ausnahme, daß anstelle der Bezugsspannung der Batterie 288 die Ausgangsspannung des Fühlers Nr. 1 an die Schaltung angelegt wird und daß der Impuls P1 zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, zu dem der Kondensator die Triggerspannung der Triggerschaltung 291 wieder erreicht. Diese Zeitspanne ist proportional dem Wert

wobei R der ohmsche Wert des Widerstands 289, C der Kapazitätswert des Kondensators 290 und V_s die Ausgangsspannung des Fühlers bedeuten. Damit ist die Zeitspanne t1 umgekehrt proportional der Ausgangsspannung des Fühlers.

Nach der Aktivierung der Triggerschaltung 291 durch die Spannung von dem Fühler Nr. 1 her wiederholt sich der Vorgang von neuem, und wenn die Spannung an dem Kondensator 290 die Triggerspannung erreicht, erzeugt die Triggerschaltung 291 einen scharfen Impuls, der das Relais 292 betätigt bzw. erregt, den Kondensator 290 entlädt und den Schrittschalter 285 erregt sowie den Arm 287 zum nächsten Kontakt weiterbewegt. Demgemäß schaltet der Schrittschalter 285 schrittweise weiter und verbindet die Fühler 1, 2, 3 nacheinander mit dem Widerstand 289. Der von der Triggerschaltung 291 in dem Fall erzeugte Impuls, daß sich der Arm 287 in Position "0" befindet, entspricht dem Impuls P₀ (gemäß Fig. 26B). Die von der Triggerschaltung in dem Fall erzeugten Impulse, daß der Arm 287 sich in den entsprechenden Positionen "1", "2" bzw. "3" befindet, entsprechen den Impulsen P₁, P₂ bzw. P₃ (gemäß Fig. 26B). Die entsprechenden Zeitspannen t1, t2, t3 sind kennzeichnend (und zwar umgekehrt proportional) für die Ausgangsspannungen der Fühler Nr. 1, Nr. 2 bzw. Nr. 3

Im vorstehenden ist das Prinzip des Impuls-Zeit-Codierers beschrieben worden, der in der Tieflochanlage anstelle des Analog-Digital-Wandlers 102 gemäß Fig. 4A verwendet werden kann. Die Decodierung auf der Oberfläche kann mit Hilfe einer herkömmlichen Impuls-Zeit-Decodierungsschaltung vorgenommen werden, weshalb hier keine weitere Erläuterung erforderlich ist.

Gemäß Fig. 26C kennzeichnen TP₀, TP₁, TP₂, TP₃, etc. aufeinanderfolgende Impulse, die an dem Detektorpunkt auf der Erdoberfläche aufgenommen werden. Diese Impulse treten zu den Zeiten T₀, T₁, T₂, T₃, etc. auf. Bei dem im Hinblick auf Fig. 26B beschriebenen Impuls-Zeit-Code wird die Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen dazu herangezogen, die Größe eines Parameters anzuzeigen.

Wenn drei Parameter telemetrisch zu übertragen sind, kann somit der Code in der aus Fig. 26C ersichtlichen Weise verwendet werden, wobei

T₁-T₀ ein den Parameter Nr. 1 kennzeichnendes Zeitintervall,
T₂-T₁ ein den Parameter Nr. 2 kennzeichnendes Zeitintervall und
T₃-T₂ ein den Parameter Nr. 3 kennzeichnendes Zeitintervall bedeuten.

Bei den Schlammimpulsmessungen während des Bohrens ist es in gewissen Fällen erforderlich, die Messungen mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Da die Schallgeschwindigkeiten in der Schlammsäule nicht immer konstant sind und da sich Störungs- und Dämpfungsbedingungen ändern, wird die Zeitspanne zwischen den auf der Oberfläche empfangenen Impulsen nicht in genauer Übereinstimmung mit der Zeitspanne zwischen den entsprechenden Impulsen stehen, die in der Tieflochanordnung erzeugt werden. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß verschiedentlich eine Ungewißheit an der Erdoberfläche bezüglich der exakten Zeit vorhanden ist, zu der ein bestimmter Impuls auftritt.

Es sei angenommen, daß die absolute Ungewißheit der jeweiligen Eintreffzeit eines Impulses plus oder minus 0,2 s beträgt oder insgesamt 0,4 Sekunden. Um eine Genauigkeit von ±1% für T₁-T₀ bei einem gesamten Absolutfehler von 0,4 Sekunden zu erzielen, muß die Zeitspanne zwischen den Impulsen zumindest 0,4×100 oder 40 Sekunden betragen. Da die Anordnung zuweilen ausfallen könnte hinsichtlich der Bildung eines deutlichen scharfen Impulses, sind überdies zumindestens zwei Ermittlungs-"Durchläufe" erforderlich. Wenn beide Durchläufe dieselbe Antwort liefern, dann sind die Daten "überprüft" worden. Um die gewünschte Genauigkeit und Sicherheit zu erzielen (bei einem praktischen Fall eine Genauigkeit von ±1%), sind demgemäß etwa 80 bis 120 Sekunden für den gemessenen Parameter erforderlich, d. h. etwa zwei Minuten pro Parameter).

Bei dem verbesserten Impuls-Zeit-Code wird ein Zusatz vorgeschlagen, der in vielen Fällen zu größerer Genauigkeit führen kann. Es wird nämlich vorgeschlagen, für jeden übertragenen Impuls P₀, P₁, P₂, P₃ nicht nur einen einzigen Schlammdruckimpuls zu verwenden sondern eine Gruppe von zumindest drei in ungleichen Abständen voneinander auftretenden Schlammdruckimpulsen, wie dies Fig. 26D veranschaulicht (nachstehend als Dreiergruppe bezeichnet).

Die zeitlichen Abstände in jeder Dreiergruppe seien wie folgt gegeben:

Die Zeitspanne vom ersten Impuls bis zum zweiten Impuls = t1,
die Zeitspanne vom zweiten Impuls bis zum dritten Impuls = t2,
die Zeitspanne vom ersten Impuls bis zum dritten Impuls = t3.

In diesem Fall kennzeichnet T₀ wieder den Zeitpunkt des Auftretens der Dreiergruppe TP₀; T₁ bezeichnet den Zeitpunkt des Auftretens der Dreiergruppe TP₁; T₂ bezeichnet den Zeitpunkt des Auftretens der Dreiergruppe TP₂, und T₃ bezeichnet den Zeitpunkt des Auftretens der Dreiergruppe TP₃. Damit ist

T₁-T₀ eine Zeitspanne, die kennzeichnend ist für den Parameter Nr. 1,
T₂-T₁ ist eine Zeitspanne, die kennzeichnend ist für den Parameter Nr. 2,
T₃-T₂ ist eine Zeitspanne, die kennzeichnend ist für den Parameter Nr. 3.

Der Vorteil dieses Systems besteht darin, daß im Falle eines momentanen Ausfalls infolge eines nicht zu empfangenden Impulses der Impulsgruppe der Fehler unmittelbar erkannt werden kan - da eine Dreiergruppe zwei Impulse anstatt drei Impulse aufweisen wird. Da die Zeitpunkte t1, t2, t3 ungleich und bekannt sind, kann überdies festgestellt werden, welcher Impuls in der betreffenden Gruppe fehlt. Da t1, t2, t3 bekannt sind, kann überdies die richtige Korrektur und Bestimmung der Zeitspannen T₁-T₀, T₁-T₂, T₂-T₃ mit derselben Genauigkeit vorgenommen werden wie in dem Fall, daß sämtliche Impulse in der Dreiergruppe vorhanden wären. Das Dreiergruppensystem weist noch einen weiteren Vorteil auf. Da es schwierig ist, den exakten Zeitpunkt des Auftretens eines bestimmten Impulses zu bestimmen, ermöglicht die Dreiergruppe eine wesentlich eingeengte Bestimmung des Zeitpunkts des Auftretens. Man könnte beispielsweise den arithmetischen Mittelwert der Zeitpunke des Eintreffens jedes Impulses in der Dreiergruppe heranziehen oder durch Anwendung moderner Rechnerverfahren eine sogar noch größere Genauigkeit des Zeitpunktes des Eintreffens erzielen.

In Fig. 29 ist ein Blockdiagramm eines elektronischen Tiefloch-Verknüpfungssystems gezeigt, welches die Dreiergruppenimpulse erzeugt, wie dies in Fig. 26D veranschaulicht ist.

Mit 101 ist ein Fühler bezeichnet (siehe Fig. 4A), der eine für die Größe eines Tieflochparameters kennzeichnende elektrische Spannung erzeugt. Mit 601, 602 und 603 sind ein spannungsgesteuerter Oszillator, ein Untersetzer bzw. eine Triggerschaltung bezeichnet, um in bekannter Art und Weise eine Reihe von elektrischen Impulsen zu erzeugen, die um Zeitintervalle voneinander getrennt sind, welche kennzeichnend sind für die Höhe der Ausgangsspannung des Fühlers 101 und damit des gemessenen Tieflochparameters. Die Zeitspanne zwischen den Impulsen P₀ und P₁, wie sie in Fig. 26B veranschaulicht ist, ist daher ein Maß für einen Parameter, der durch einen der Fühler 101 gemäß Fig. 4A gemessen wird.

Der Teil gemäß Fig. 29, der innerhalb des gestrichelt dargestellten Rechtecks eingeschlossen ist, zeigt die Einzelheiten der Schaltungsanordnungen zur Erzeugung der zuvor erwähnten Dreiergruppenimpulse. Mit 607, 608 und 609 sind elektronische monostabile Kippglieder bezeichnet, die auf den Impuls von der Triggerschaltung 603 hin jeweils einen einzigen Ausgangsimpuls mit einer Dauer von D1, D2 bzw. D3 erzeugen, wie dies aus Fig. 29 hervorgeht. Die Blöcke 610 stellen elektronische Ableit- bzw. Differenziereinrichtungen dar, was bedeutet, daß sie jeweils ausgangsseitig ein Signal erzeugen, welches proportional der ersten zeitlichen Ableitung des Eingangssignals ist (derartige elektronische Einrichtungen sind an sich bekannt). Die Ausgangssignale der betreffenden Einrichtungen sind in Fig. 29 mit G, H bzw. I bezeichnet. Dies bedeutet, daß zwei Impulse entgegengesetzter Polarität um die Zeitspanne D1, D2 bzw. D3 voneinander entfernt sind. Die Blöcke 611 stellen Gleichrichter dar, die lediglich die positiven Impulse weiterleiten, die an den Ausgängen der Ableiteinrichtungen 610 auftreten. Die Ausgänge der Gleichrichter 611 sind bei 612 parallelgeschaltet; sie liefern das Signal J, bei dem es sich um das gewünschte Signal handelt (ebenfalls in Fig. 26D gezeigt). Jeder durch die Triggerschaltung 603 erzeugte einzelne Impuls erzeugt daher drei Impulse, die durch bekannte und ungleiche Zeitspannen voneinander getrennt sind (Dreiergruppe), wie dies mit J bezeichnet ist. In der Praxis ist das Intervall D1 sehr kurz gemacht im Vergleich zu D2 und D3; es beträgt lediglich einige wenige Mikrosekunden, während die Zeitspannen D2 und D3 einige wenige Millisekunden bis mehrere hundert Millisekunden lang sind. Bei der Analyse der Arbeitsweise kann daher angenommen werden, daß D1=0 ist.

Bei dem in Fig. 29 mit J dargestellten Ausgangssignal kennzeichnet damit der Impuls p1 das Ende des Ausgangsimpulses von der Einrichtung 607 her (was, wie oben ausgeführt, für sämtliche praktischen Zwecke auch der Beginn des Ausgangsimpulses ist, da die Impulslänge mit Null angenommen ist). Der Impuls p2 stellt das Ende des Ausgangsimpulses von der Einrichtung 608 dar. Der Impuls p3 stellt das Ende des Ausgangsimpulses von der Einrichtung 609 dar. Da D1 als Null angenommen war, beträgt somit die Zeitspanne t1=D2, ferner ist die Zeitspanne t3=D3, und außerdem ist die Zeitspanne t2=D3-D2. Damit erzeugt der innerhalb eines gestrichelten Rechtecks dargestellte Teil in Fig. 29 die Dreiergruppe an seinem Ausgang 612 (in Fig. 29 mit J bezeichnet), und zwar auf das Auftreten eines einzelnen Impulses am Eingang hin.

Die in Fig. 29 dargestellte Schaltungsanordnung kann in Fig. 4A zwischen einem ausgewählten Fühler 101 und dem Kraftantrieb 104 eingefügt werden. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß dann, wenn das Impuls-Zeit- Codesystem gemäß Fig. 29 benutzt wird, der Analog-Digital- Wandler 102 und der Prozessor 103 weggelassen werden (da sie für die binäre Codierung geeignet sind), und daß der Kraftantrieb 104 direkt vom Ausgang des Verstärkers 613 gemäß Fig. 29 angetrieben wird.

Wenn der Dreiergruppen-Impuls-Zeit-Code anstelle des Binärcodes angewandt wird, dann wird es erforderlich sein, die Dreiergruppensignale an der Erdoberfläche zu decodieren. Gemäß Fig. 9, 12, 13, 17 und 19 sind die den Tieflochparameter kennzeichnenden Signale als Signale in Binärcodeform angenommen. Um das System derart zu ändern, daß es Signale in der Dreiergruppen-Impus-Zeit-Codeform aufnimmt, wie dies in Verbindung mit Fig. 29 und 26D beschrieben worden ist, ist es erforderlich, zwischen das Filter 150 und die nachfolgende Anordnung auf der Erdoberfläche einen speziellen "Codeumsetzer" einzufügen, wie er in Fig. 27 veranschaulicht ist. Zu diesem Zweck wird die Leitung 151 gemäß Fig. 9, 12, 13, 17 und 19 unterbrochen und der Codeumsetzer eingefügt. In gewissen Fällen ist es weit wünschenswerter, den "Codeumsetzer" zwischen die Subtrahiereinrichtung 160 und den Analog-Digital-Wandler 163 in der Leitung 162 gemäß Fig. 9, 12, 13, 17 einzufügen. Die bevorzugte Stelle für das Einsetzen wird ohne weiteres ersichtlich werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 27 sei bemerkt, daß mit 316 ein "Wähler" bzw. eine Auswahleinrichtung bezeichnet ist, die so ausgelegt ist, daß sie einen einzigen Ausgangsimpuls auf die Dreiergruppe hin erzeugt, wie sie in Verbindung mit Fig. 29 beschrieben worden ist. Mit 317 ist ein Zeit-Amplituden-Wandler bezeichnet, d. h. eine elektronische Schaltung, die auf der Leitung 319 eine Ausgangsgleichspannung erzeugt, die eine bestimmte Funktion der Zeitspanne zwischen zwei Eingangsimpulsen wiedergibt, welche über die Leitung 318 der Eingangsseite zugeführt werden. Derartige Einrichtungen sind auf dem Gebiet der Elektronik an sich bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. Mit 320 ist ein Analog- Digital-Wandler bezeichnet, der ebenfalls als bekannt anzusehen ist.

In Fig. 28A ist der Wähler bzw. die Auswahleinrichtung 316 im einzelnen gezeigt. Mit 321, 322, 323 sind monostabile Kippglieder bezeichnet, die so ausgelegt sind, daß sie einen einzigen Ausgangsimpuls von ausgewählter bestimmter Zeitdauer auf das Auftreten eines Eingangsimpulses hin erzeugen. Das monostabile Kippglied 321 erzeugt einen langen Impuls mit einer Zeitdauer von l₃, das monostabile Kippglied 322 erzeugt einen kürzeren Impuls mit einer Zeitdauer von l₂, und das monostabile Kippglied 323 erzeugt einen noch kürzeren Ausgangsimpuls mit einer Zeitdauer von l1, wie dies oberhalb des jeweiligen Schaltungsblockes 321, 322 bzw. 323 veranschaulicht ist. Die Blöcke 324 sind Ableiteinrichtungen, d. h. elektronische Schaltungen, die ein Ausgangssignal erzeugen, welches der ersten zeitlichen Ableitung eines der Eingangsseite zugeführten Signals proportional ist. Derartige Einrichtungen sind an sich bekannt; sie erzeugen Ausgangssignale, wie sie die oberhalb des jeweiligen Schaltungsblockes angedeutete Kurve veranschaulichen. Die Blöcke 325 sind "Inverter", was bedeutet, daß sie ein Ausgangssignal erzeugen, welches eine Nachbildung des Eingangssignals darstellt, diesem gegenüber jedoch im Vorzeichen invertiert ist, wie dies ebenfalls die oberhalb des jeweiligen Inverters angedeutete Kurve veranschaulicht. Die Blöcke 326 enthalten jeweils einen Gleichrichter; sie erzeugen ausgangsseitig einen einzigen positiven elektrischen Impuls 326a, 326b, 326c, wie dies in der Zeichnung veranschaulicht ist. Die Blöcke 327 sind "Koinzidenzschaltungen" oder UND-Glieder bekannter Art. Jeder Block 327 erzeugt einen Ausgangsimpuls an seinem Anschluß "c" lediglich dann, wenn ein Impuls am Eingang "a" und ein Impuls am Eingang "b" koinzident vorhanden sind. Die Ausgänge sämtlicher dreier Koinzidenzschaltungen 327 sind bei der Leitung 329 parallelgeschaltet an den Eingang des Zeit-Amplituden- Wandlers 317 angeschlossen. Der Zeit-Amplituden-Wandler 317 erzeugt eine Ausgangsgleichspannung, die eine bestimmte Funktion der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eingangsimpulsen wiedergibt. Der Ausgang des Zeit-Amplituden-Wandlers 317 ist an dem Analog-Digital- Wandler 320 angeschlossen, der die Eingangsgleichspannung in an sich bekannter Art und Weise in binärcodierte Impulse umsetzt.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 27 und 28A besteht aus konventionellen elektronischen integrierten Schaltungskomponenten bekannter Art. Die Gesamt-Arbeitsweise der Auswahleinrichtung erfordert eine noch genauere Beschreibung.

Die durch den Verstärker 613 gemäß Fig. 29 erzeugten Impulse P1, P2, P3 werden dem Kraftantrieb 104 gemäß Fig. 4A gewissermaßen aufgedrückt und zur Erdoberfläche als Schlammdruckimpulse mit Hilfe des Ventils 40 übertragen. An der Erdoberfläche werden diese Schlammdruckimpulse aufgenommen, beispielsweise mit Hilfe der Elemente gemäß Fig. 9, die den Wandler 51, das Filter 150, das Verzögerungselement 152 und die Subtrahiereinrichtung 160 umfassen. Die auf der Leitung 162 gemäß Fig. 9 (oder gemäß Fig. 12, 13 oder 17) auftretenden Impulse werden mit TP₁, TP₂ bzw. TP3 bezeichnet (sie entsprechen den Impulsen P1, P2 und P3, die von den elektronischen Tieflocheinrichtungen gemäß Fig. 29 erzeugt werden).

In Fig. 28B, 28C, 28D, 28E ist das Verhalten der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 28 auf die Impulse TP1, TP₂, TP3 veranschaulicht. Wenn der Impuls TP₁ auftritt und über die Leitung 151 (oder die Leitung 162) gemäß Fig. 28A weitergeleitet wird, werden sämtliche drei monostabilen Kippglieder 321, 322 und 323 getriggert, wobei jedes monostabile Kippglied einen entsprechenden Ausgangsimpuls erzeugt, der seine eigene Charakteristik und bestimmte sowie festgelegte Dauer l₃, l₂ bzw. l₁ aufweist. Wenn der Impuls TP₁ die monostabilen Kippglieder triggert, dann erzeugen diese die Ausgangsspannungen (Impulse) A1, B1 bzw. C₁, wie dies in Fig. 28B veranschaulicht ist.

Wenn der Impuls TP₂ auftritt, kann er das monostabile Kippglied 321 nicht triggern, da dieses bereits im "Ein"-Zustand ist. Der Impuls TP₂ triggert jedoch die monostabilen Kippglieder 322 und 323, da diese in den "Aus"-Zustand zurückgekehrt sind; sie erzeugen die Ausgangsimpulse B2 bzw. C₂, wie dies in Fig. 28B veranschaulicht ist. Wenn der Impuls P3 auftritt, kann er das monostabile Kippglied 321 oder 322 nicht triggern, da diese monostabilen Kippglieder bereits im "Ein"-Zustand sind. Der Impuls TP₃ triggert jedoch das monostabile Kippglied 323, da dieses in den "Aus"-Zustand zurückgeführt ist; dadurch wird der Ausgangsimpuls C3 erzeugt, wie dies in Fig. 28B veranschaulicht ist.

Die Zeitintervalle l₃, l₂ und l1 der monostabilen Kippglieder 321, 322 bzw. 323 gemäß Fig. 28A sind so proportioniert, daß sie den Zeitverzögerungen entsprechen, die durch die Wirkung der monostabilen Kippglieder 609, 608 bzw. 607 gemäß Fig. 29 hervorgerufen werden, und demgemäß befinden sich die Enden der Gruppe von Impulsen der monostabilen Kippglieder gemäß Fig. 28B in "Koinzidenz" und aktivieren die UND-Glieder gemäß Fig. 28A.

In Fig. 28B sind die Betriebsbedingungen für den Fall veranschaulicht, daß sämtliche Impulse TP₁, TP₂, TP₃ vorhanden sind.

In Fig. 28C sind dieselben Zustände wie in Fig. 28B veranschaulicht, wobei jedoch einer der Impulse (z. B. TP₁) fehlt.

In Fig. 28D sind dieselben Zustände veranschaulicht, wobei jedoch der Impuls TP₂ fehlt, und in Fig. 28E sind dieselben Zustände für den Fall veranschaulicht, daß der Impuls TP₃ fehlt. Es muß hier darauf hingewiesen werden, daß es keine Rolle spielt, welcher Impuls (TP₁, TP₂ oder TP₃) fehlt; die Ausgangsimpulse zweier monostabiler Kippglieder enden stets in der Zeit T. Diese Eigenschaft der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 28 wird dazu herangezogen, stets zumindest zwei zeitlich koinzident auftretende Impulse in der Zeitspanne T zu erzeugen, und zwar unabhängig davon, welcher der Impulse TP₁, TP₂ und TP₃ fehlt. Solange zumindest zwei Impulse der Impulsgruppe ermittelt werden, wird der Zeitpunkt des Auftretens des Ausgangsimpulses der Einrichtung 329 gemäß Fig. 28A derselbe sein. Der einzelne Impuls 328a gemäß Fig. 28A wird dann erzeugt, wenn eine "Gruppe" von Impulsen von der oberhalb des Loches befindlichen Anordnung aufgenommen ist; der Impuls 328a wird dann vorhanden sein, wenn irgendwelche zwei Impulse in der "Gruppe" auf der Erdoberfläche ermittelt sind.

Zurückkommend auf Fig. 28A sei bemerkt, daß der Block 317 einen herkömmlichen Zeit-Amplituden-Wandler darstellt, der eine Ausgangsgleichspannung erzeugt, welche eine bestimmte funktionelle Beziehung zu der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen 328a aufweist. Mit 320 ist ein herkömmlicher Analog-Digital-Wandler bezeichnet, der die Höhe der Ausgangsgleichspannung in ein Binärwort umsetzt. Die Binärwörter folgen aufeinander in schneller Folge, wie dies durch die Eigenschaften der Einrichtung 320 und ihrer zugehörigen Takteinrichtung festgelegt ist.

Es kann somit ersehen werden, daß die Anordnung gemäß Fig. 28A den Impuls-Zeit-Code unter Verwendung der Dreiergruppe in einen Binärcode umsetzt. Die Anordnung im Anschluß an die Leitung 251 oder 162 gemäß Fig. 9, 12, 13, und 17 wird in genau derselben Art und Weise arbeiten, wenn die Daten ursprünglich in Binärcodeform von der Unterfläche her übertragen wird.

XX. Zusätzliche Anmerkungen

(1) Um Stoßwellen zu erzielen, wie sie weiter oben erläutert worden sind, sind gewisse Beschränkungen der Größe K₂ auferlegt (mittlere Änderungsrate des Öffnens des Ventils) und hinsichtlich T_b ^(v) (der Zeitspanne der offenen Strömung). Versuche haben gezeigt, daß K₂ zumindest 5 cm²/sec betragen sollte und vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 20 cm²/sec bis 150 cm²/sec liegen sollte. T_b ^(v) sollte höchstens 50 ms betragen und vorzugsweise im Bereich von 50 ms bis 150 ms liegen.

(2) Es muß darauf hingewiesen werden, daß in den dargestellten Ausführungsbeispielen zwar Synchronisationsimpulse (Takteinrichtung 155) entweder durch den mit der Pumpenwelle verbundenen Generator oder durch einen an anderer Stelle näher beschriebenenen Phasenregelkreis erzeugt werden, daß aber auch andere Einrichtungen vorgesehen sein können, die die Taktfrequenz liefern, welche mit der Pumpwirkung synchron ist. So kann beispielsweise der bekannte "Pumphub-Zähler", der üblicherweise in der Verbindungsstange der Pumpe verwendet ist, dazu herangezogen werden, einen elektrischen Impuls pro Pumpenhub zu erzeugen. Die Zeitspanne zwischen derartigen aufeinanderfolgenden Impulsen kann in eine geeignete Zahl (z. B. 512 oder 1024) gleicher Zeitintervalle mittels eines Mikroprozessors oder mittels eines Phasenregelkreises oder mittels anderer Einrichtungen unterteilt werden, wie auf dem Gebiet der Rechner und Elektronik bekannt sind. Bei einer derartigen Anordnung ist kein Zugang zu der Pumpengestell-Welle erforderlich, und es kann die Taktfrequenz gleich der des Generators 155 mit Hilfe des Mikroprozessors und des Pumpenhub-Zählerschalters erzeugt werden.

(3) Im ersten Teil der vorliegenden Anmeldung sind die Bedingungen für das Auftreten hydraulischer Stoßwellen und zugehöriger "Ventil-Signalwellen" im einzelnen erläutert worden. In gewissen Tiefen, beispielsweise in geringer Tiefe, können Bedingungen auftreten, für die die oben beschriebenen Ventil-Signalwelle nicht gut ausgebildet ist. Für eine derartige Ventil-Signalwelle ist es erforderlich, ein ausreichendes Volumen an Schlamm zur Verfügung zu haben, der in dem Bohrrohr schließt, und über einen hinreichenden hydrostatischen Druck am Senderende zu verfügen. Es dürfte ohne weiteres einzusehen sein, daß die Erfindung nicht auf die dargestellte besondere Signalwelle begrenzt ist, sondern auch auf andere Formen von Druckimpulsen anwendbar ist, die an der Erdoberfläche infolge der Betätigung des Ventiles 40 ermittelt werden können.

(4) Verschiedene digitale Filter einschließlich angepaßter Filter, Impulsformfilter und Impulsspitzenfilter sind oben im einzelnen erläutert worden. Im besonderen ist die Leistung jedes digitalen Filters deutlich erläutert worden, indem eine detaillierte Folge von auszuführenden Operationen angegeben worden ist. Diese Operationen sind anhand geeigneter mathematischer Gleichungen erläutert und spezifiziert worden. Es dürfte ohne weiteres einzusehen sein, daß durch Anwendung moderner Rechenverfahren die erforderlichen Programme auf der Grundlage der vorliegenden Beschreibungen und der Operationen, die in Verbindung mit Fig. 9, 12, 13, 14, 16, 17, 19, 21 beschrieben worden sind, durch geeignete Software bereitgestellt werden können.

(5) Verschiedene digitale Filter, die beschrieben worden sind, können auch bei anderen Ausführungsformen der Übertragungs- Meßanordnung unter Ausnutzung von Schlammimpulsen mittels anderer Einrichtungen als dem hier beschriebenen Ventil vom Nebenweg-Typ angewandt werden. Diese anderen Ausführungsformen können das Verfahren einschließen, das auf der kontrollierten Beschränkung des Schlammflußkreises durch ein Strömungsbegrenzungsventil basiert, welches in geeigneter Weise im Hauptschlammstrom untergebracht ist, wie dies in der US-PS 27 87 795 angegeben ist. Generell gesagt können die beschriebenen digitalen Filtersysteme bei irgendwelchen Formen des Telemetriesystems zur Aufzeichnung während des Bohrens sowie bei anderen Formen des Aufzeichnens angewandt werden, bei denen die Bohranordnung entfernt wird, um die Meßanordnung in das Bohrloch abzusenken. Ferner kann eine Anwendung bei Telemetriesystemen gegeben sein, die Impulse verwenden, welche kennzeichnend sind für irgendwelche Energieformen, wie elektrische, elektromagnetische, akustische oder sonstige Impulse.

(6) Der in der oben beschriebenen Dreierimpulsgruppe benutzte Impuls-Zeit-Code kann ferner zur akustischen Bohrloch-Aufzeichnung angewandt werden, um das Fortschreiten der akustischen Bohrloch-Aufzeichnungssignale zu erleichtern und um ein mit hohem Maße wirksames Verfahren zu erzielen, welches eine automatische Korrektur von Fehlern ermöglicht, die auf Impulsaussetzer bei der Messung der Übergangszeit der akustischen Wellen zurückgehen. Akustische Bohrlochaufzeichnungsverfahren und Vorrichtungen sind üblicherweise so ausgelegt, daß die Übergangszeit bzw. Durchlaufzeit einer akustischen Welle zwischen einem ersten Impuls und einem zweiten Impuls gemessen wird. In der US-PS 39 00 824 ist bereits vorgeschlagen worden, einen Impulssprung durch die Messung zu vermeiden, die während einer Sequenz N-1 durchgeführt wird, welche in einem Hilfsspeicher gespeichert ist, wobei diese Messung mit der nächsten Messung (Sequenz N) verglichen wird. Die alternative Methode, die vorgeschlagen worden ist und die auf dem Impuls-Zeit-Code basiert, ist wirksam hinsichtlich der Korrektur von Meßfehlern, die auf den Zyklussprung zurückgehen. Diese Methode ist eine wirksamere und zuverlässigere Methode.

(7) Der Dreierimpulsgruppen-Zeit-Code weist ein sehr breites Anwendungsfeld außerhalb der Aufzeichnung während des Bohrens auf. Er kann in irgendeinem Kommunikationssystem zur Übertragung von Nachrichten von einer Sendestation zu einer Empfangsstation sowie bei verschiedenen Arten von Bohrlochaufzeichnungen (nicht notwendigerweise beim Aufzeichnen während des Bohrens), wie bei der akustischen Aufzeichung (siehe Anmerkung Nr. 6) angewendet werden.

(8) Es dürfte einzusehen sein, daß zur Aufnahme und Speicherung einer Signalwelle zum Zwecke der späteren Ausnutzung in den hier beschriebenen digitalen Filtern gewisse Schritte an der jeweiligen Stelle vorgenommen werden müssen, wie dies beschrieben worden ist. Es ist zuweilen wünschenswert, eine einzige Signalwelle (anstatt einer Doppel-Signalwelle) festzuhalten, wie dies bei der Ausführungsform gemäß Fig. 19 erforderlich ist, bei der das Impulsspitzenfilter 351A verwendet wird. Um eine einzige Signalwelle festzuhalten, ist es zweckmäßig, die Erzeugung des durch die unterhalb der Erdoberfläche vorhandene Anordnung erzeugten Signals mit der Detektoranordnung auf der Erdoberfläche zu synchronisieren. Dies kann dadurch geschehen, daß einer der Fühler 1, 2, 3 und 4 bei der unterhalb der Oberfläche befindlichen Anordnung gemäß Fig. 4A durch eine Einrichtung, wie eine "Takteinrichtung" oder durch einen mit konstanter Zeit gesteuerten Signalgenerator ersetzt wird, der mit gleichmäßigen zeitlichen Abständen auftretende Operationen des Ventils 40 gemäß Fig. 4A hervorruft. Die Arbeitsweise ist dabei folgende.

(a) Durch Stillsetzen und Starten der Schlammpumpen auf der Oberfläche in geeigneter Folge kann der Schalter 91 gemäß Fig. 4A eine Verbindung zu dem modifizierten Fühler herstellen (d. h. zu dem Generator, der mit gleichmäßigen Abständen auftretende Impulse erzeugt). Demgemäß wird eine Folge von Impulsen durch das Ventil zu bekannten Zeitpunkten erzeugt. (Selbstverständlich muß eine Korrektur bezüglich der Bewegungs- bzw. Ausbreitungszeit des Impulses von unterhalb der Erdoberfläche zur Erdoberfläche durch an sich bekannte Verfahren vorgenommen werden, wobei die betreffende Zeitspanne zuvor bestimmt worden ist.)

(b) Die Oberflächenanordnung wird durch ihre eigene Takteinrichtung gesteuert, die zeitlich und in der Phase mit dem unterhalb der Erdoberfläche befindlichen Signalsender in Synchronismus ist.

(c) Durch geeignete Umschaltung an der Erdoberfläche kann die Aufnahme und Speicherung der Doppel-Signalwelle unterbrochen werden, so daß die Speicherschaltung lediglich während der Zeitspanne einer Signalwelle angeschlossen und automatisch während des Auftretens der zweiten Signalwelle abgetrennt ist.

Selbstverständlich können dieselben Operationen von Hand (durch eine Bedienperson) vorgenommen werden. Dies läßt sich ohne weiteres vornehmen, wenn die Signalwelle eindeutig ist und die Störung deutlich übersteuert. Wenn die Signalwelle in der Störung untergeht, dann wird das automatische System, wie es hier beschrieben worden ist, benutzt.

(9) Es gibt zwei störende Rauschsignale, welche die Neigung zeigen, die Aufnahme des Nutzsignals B(t) zu verdecken (siehe Gleichung 22). Eines dieser Signale stellt die Pumpenstörung P(t) dar, und das andere Signal stellt die Störung U(t) dar, die den verschiedenen anderen Bohroperationen als der Pumpenwirkung zugehörig ist. Um diese Störsignale zu beseitigen, sind drei Filtersysteme vorgesehen, die als Filtersysteme Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3 bezeichnet sind.

Das Filtersystem Nr. 1 ist das Analog-Filter 150. Der Zweck dieses Filters besteht darin, die Dauerkomponente des Wandlerausgangssignals zu unterdrücken, die kennzeichnend ist für den durch die Pumpe 27 erzeugten Druck, sowie weitere Frequenzen außerhalb des interessierenden Bereiches.

Das Filtersystem Nr. 2 umfaßt ein Verzögerungselement 152 und eine Subtrahiereinrichtung 160. Der Zweck dieses Systems besteht darin, die Pumpenstörung P(t) zu unterdrücken oder zu beseitigen.

Das Filtersystem Nr. 3 umfaßt einen Korrelator oder ein digitales Filter, bei dem es sich um ein angepaßtes Filter, um ein Impulsformungsfilter oder um ein Impulsspitzenfilter handeln kann und das ferner verschiedene zugehörige Elemente umfaßt, wie Speicher- und Abrufelemente, sowie Rechner zur Bestimmung der optimalen Werte für die Speicherelemente der entsprechenden digitalen Filter (siehe Fig. 9, 12, 13, 14 und 15). Der Zweck des Systems Nr. 3 besteht darin, die Störung U(t) zu beseitigen oder zu unterdrücken.

Die Filtersysteme Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3 sind in Reihe geschaltet. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist das Filtersystem Nr. 1 mit dem Druckwandler 41 verbunden, das System Nr. 2 ist mit der Ausgangsleitung 151 verbunden, und das System Nr. 3 ist mit der Ausgangsleitung 164 des Systems Nr. 2 verbunden.

Jedes der obigen Filtersysteme ist ein lineares System. Deshalb kann die Funktion dieses Systeme ausgetauscht oder umgekehrt werden. Man kann daher zunächst mit dem Filtersystem Nr. 1 beginnen und dann die Reihenfolge der Filtersysteme Nr. 2 und Nr. 3 wechseln. Außerdem braucht es in gewissen Fällen nicht notwendig zu sein, alle drei Filtersysteme zu verwenden. Vielmehr können irgendwelche zwei Filtersysteme genügen, und in gewissen Fällen sogar lediglich eins. Außerdem kann das System zwischen der Leitung 182 und der Leitung 210 zuweilen weggelassen werden, und der Digital-Analog-Wandler 211 kann so angeordnet bzw. ausgelegt sein, daß er Doppel-Signalwellen aufnimmt.

(10) Wenn das durch den im Abschnitt XIII (Schritte a bis f) beschriebenen Prozeß erzeugte Signal aufgenommen und gespeichert wird, dann kann es kreuzkorreliert werden mit dem Rohsignal, welches von dem Wandler 51 erzeugt wird, oder mit dem vorbehandelten Signal, das auf der Leitung 162 gemäß Fig. 9 bis 19 auftritt. Im Falle der Kreuzkorrelation mit dem Rohsignal des Wandlers 51 wird die zweite Signalwelle in der "Doppel-Signalwelle" durch geeignete Einrichtungen bekannter Art zu beseitigen sein, so daß es möglich ist, eine Kreuzkorrelation mit der einzelnen Signalwelle am Ausgang des Wandlers 51 vorzunehmen.

Claims (9)

1. Fernmessungs-Anordnung zum Gebrauch in Verbindung mit Bohrvorgängen an einem Bohrloch (60), die informationstragende Signale überträgt, die in Form einer kodierten Verteilung von Quellfluid-Druckänderungen ausgedrückt sind, und ein Fluid-Kreislaufsystem (28, 27, 24, 23, 22, 25, 33, 60) einsetzt, in dem Störsignale erzeugt werden, wobei das Kreislaufsysem (22, 23, 24, 25, 27, 28, 33, 60) einen Übertragungskanal (25, 24, 23) zwischen einer Übermittlungseinrichtung (50, 40, 96, 101, 250) an einem ersten Ort bildet, um die informationstragenden Signale zu übertragen, und eine Empfangseinrichtung (51, 53, 54; 51, 54, 150, 152, 160, 163, 170, 172, 173, 178, 181, 190, 191, 192, 193, 211, 212; 351; 200; 220; 240) an einem zweiten Ort, wobei die Empfangseinrichtung (51, 53, 54; 51, 54, 150, 152, 160, 163, 170, 172, 173, 178, 181, 190, 191, 192, 193, 211, 212; 351; 200; 220; 240) betrieben wird, um eine Mischung der informationstragenden Signale, die durch die Quellfluid-Druckänderungen verursacht sind, und der Störsignale zu empfangen, um gemischte elektrische Signale (B(t), P(t), U(t)) zu erzeugen, die die Mischung darstellen, wobei die Anordnung
gekennzeichnet ist durch:
eine erste Einrichtung (150; 152, 160, 51) zur Erzeugung von ersten elektrischen Signalen (b(t), U(t)), die die informationstragenden Signale darstellen;
eine Verarbeitungsvorrichtung (163, 170, 172, 173, 178, 181; 351; 200; 220; 240), die gemäß den ersten elektrischen Signalen (b(t), U(t)) betrieben wird, um von den gemischten elektrischen Signalen (B(t), P(t), U(t)) zweite elektrische Signale (b(t)) abzuleiten, in denen die informationstragenden Signale verstärkt sind; und
eine Einrichtung (190, 191, 192, 193, 211, 212, 54) zum Ableiten der Information von den zweiten Signalen (b(t)).

2. Fernmessungs-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten elektrischen Signale (b(t)) eine Faltung der ersten elektrischen Signale (bt), U(t)) und der gemischten elektrischen Signale (B(t), P(t), U(t)) darstellen.

3. Fernmessungs-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsvorrichtung (163, 170, 172, 173, 178, 181; 200; 240; 220; 351) ein digitales Filter mit einem Speicher (173) ist, in dem die ersten elektrischen Signale (b(t), U(t)) abgespeichert sind.

4. Fernmessungs-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Filter ein abgestimmtes Filter (170; 220) ist.

5. Fernmessungs-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Filter ein Impulsformungs-Filter (240) ist.

6. Fernmessungs-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Filter ein Spitzen-Filter (351) ist.

7. Vorrichtung zur Fernmessung während der Ausführung von Bohrvorgängen an einem Bohrloch (60), mit
einer Einrichtung (50, 40, 96, 101, 250) zur Erzeugung von informationstragenden Signalen, die die Größe eines Tieflochparameters in verschiedenen Tiefen in dem Bohrloch (60) darstellen, wobei jedes informationstragende Signal durch eine Gruppe von einzelnen Signalen dargestellt ist, die in kodierter Form angeordnet sind,
einer Erfassungseinrichtung (51, 53, 54; 51, 54, 150, 152, 160, 163, 170, 172, 173, 178, 181, 190, 191, 192, 193, 211, 212; 200, 220; 240; 351) über Tage um eine Mischung der informationstragenden Signale und von Störsignalen zu empfangen, die aus wenigstens einem der Bohrvorgänge entstehen, wodurch gemischte elektrische Signale (B(t), P(t), U(t)) erzeugt werden, die die Mischung darstellen, wobei die Vorrichtung
gekennzeichnet ist durch:
ein digitales Filter (163, 170, 172, 173, 178, 181; 200; 220; 240; 351) über Tage, um an seinem Eingang die gemischten elektrischen Signale zu empfangen, wobei das digitale Filter einen Speicher (173) hat, in dem die Gestalt der einzelnen Signale abgespeichert ist, und
eine Einrichtung (190, 191, 192, 193, 211, 212, 54), die in Reaktion auf den Ausgang des digitalen Filters (163, 170, 172, 173, 178, 181; 200; 220; 240; 351) Komponenten der Signale erzeugt, die die Größe des Tieflochparameters darstellen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt gekennzeichnet ist durch einen scharfen Beginn und ein scharfes Ende der einzelnen Signale.

9. Verfahren zur Fernmessung während der Bohrvorgänge an einem Bohrloch (60) mit
einer Einrichtung (50, 40, 96, 101, 250) zur Erzeugung von informationstragenden Signalen, die die Größe eines Tieflochparameters darstellen, wobei jedes informationstragende Signal durch eine Gruppe von einzelnen Signalen dargestellt wird, die in kodierter Form angeordnet sind, und
einer Erfassungseinrichtung (51, 53, 54; 51, 54, 150, 152, 160, 163, 170, 172, 173, 178, 181, 190, 191, 192, 193, 211, 212; 220; 240; 351) über Tage, um eine Mischung der infomationstragenden Signale und von Störsignalen zu empfangen, die aus den Bohrvorgängen entstehen, wodurch gemischte elektrische Signale (B(t), P(t), U(t)) produziert werden, die die Mischung darstellen, wobei das Verfahren
dadurch gekennzeichnet ist,
daß über Tage die folgenden Schritte durchgeführt werden:
Abspeichern eines Signals, das für die Gestalt der einzelnen Signale stellvertretend ist, in den Speicher (173) eines digitalen Filters (163, 170, 172, 173, 178, 181; 351; 220; 240; 200),
Anlegen eines Signals, das für die gemischten Signale stellvertretend ist, an den Eingang des digitalen Filters,
Ableiten von Komponenten der Signale von dem Ausgang des digitalen Filters, die die Größe des Tieflochparameters darstellen.