DE3022132A1 - Vorrichtung und verfahren zum feststellen von bohrlochsignalen - Google Patents
Vorrichtung und verfahren zum feststellen von bohrlochsignalenInfo
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Description
Vorrichtung und Verfahren zum Peststellen von Bohrlochsignalen
Beim Bohren einer Ölquelle wird gewöhnlich ein Bohrstrang mit einem am Unterteil befestigter Bohrmeißel benutzt.
Der Bohrstrang ist in eine Schlammflußanlage geschaltet, die das Bohren des Schlamms benutzt, der von einer Mehrzylinderpumpe
gepumpt wird. Die Pumpe ist über eine Schlammleitung mit dem Oberteil des Bohrstrangs verbunden
und der Schlamm wird unter Druck zum !fließen durch den Bohrstrang zum Bohrmeißel zum Oberteil des Bohrstrangs
gebracht. Die Pumpe arbeitet bei hohen Drücken, die im Be-
p
reich von 140 bis 210 kg/cm am Pumpenauslaß liegen, und die nicht ungewöhnlich sind. Übliche Pumpen sind Mehrzylinderpumpen. Während des Betriebes der Pumpen gibt es Druckwellen im Bereich von 14 bis 21 kg/cm , die durch die Arbeitshübe der einzelnen Kolben der Pumpe bedingt sind. Diese Druckwellen sind besonders an der Oberfläche sehr groß, wo sich eine minimale Druckwellendämpfung in der Schlammabgabeanlage befindet.
reich von 140 bis 210 kg/cm am Pumpenauslaß liegen, und die nicht ungewöhnlich sind. Übliche Pumpen sind Mehrzylinderpumpen. Während des Betriebes der Pumpen gibt es Druckwellen im Bereich von 14 bis 21 kg/cm , die durch die Arbeitshübe der einzelnen Kolben der Pumpe bedingt sind. Diese Druckwellen sind besonders an der Oberfläche sehr groß, wo sich eine minimale Druckwellendämpfung in der Schlammabgabeanlage befindet.
Bisher war eine Vorrichtung zum Messen während des Bohrens bekannt, die mit dem Herstellen von veränderbaren Verengungen
im Bohrstrang arbeitet. Dies ergibt einen Druckimpuls, der über die stehende Schlammsäule im Bohrstrang
zur Oberfläche zurückübertragen wird. Beispielsweise kann eine Verengung durch die Vorrichtung zum Messen während
des Bohrens ausgebildet werden, deren Signal dann über 3000 Meter Schlamm gekoppelt wird, der als Säule im Bohrrohr
steht. Während der Schlamm als unzusammendrückbares
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Strömungsmittel angesehen wird, ist niclitsdestotrotz
das an der Oberfläche aus dem Bohrlochgerät empfangene
Signal verhältnismäßig schwach. Es ist schwächer als die Pumpendruckwelle, die an der Oberfläche festgestellt
wird. Die Druckimpulse oder die Schwankungen an der Oberfläche sind groß und können zehn- bis einhundertmal größer
als die veränderbaren Daten aus dem Gexät ^ür ^as Messen
während des Bohrens sein.
Beim Arbeiten des Geräts für das Messen während des Bohrens gehen die ftruckimpulse durch den Schlamm bei einer Geschwindigkeit,
die gleich der Schallgeschwindigkeit des Mediums ist, Je nach der Aufbereitung des Bohrschlamms liegt
diese Geschwindigkeit zwischen 1220 und 1525 Meter pro Sekunde.
Darüberhinaus ist jeder Druckimpuls von einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit begleitet, die durch die
Beziehung gegeben ist, die den Wasser-Hammer-Effekt qualitativ bestimmt. Die Druckänderungsgeschwindigkeitsänderung
- Beziehung ergibt sich deshalb aus folgender Gleichung:
(1) P = KCV
worin P * die Größe des Druckimpulses, R = die Massendichte
des Strömungsmittels, 0 * die Schallgeschwindigkeit im
Strömungsmittel, und V = die Änderung der Strömungsmittelgeschwindigkeit
ist. Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß die aus dem Gerät zum Messen während des Bohrens ausgebildeten
Druckimpulse auf die Strömungsmittelgeschwindigkeit in der Gleichung bezogen sind.
Eine übliche Schlammpumpe liefert während des Arbeitshubes der einzelnen Kolben eine Druckwelle. Diese stellt eine
positive Welle dar und erhöht die Schlammströmungsgeschwindigkeit im Bohrstrang.
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Umgekehrt verringern die Druckimpulse aus diesem Gerät", das sich im Bohrloch befindet, die Schlammströmungsgeschwindigkeit
als Ergebnis der Ausbreitung in der entgegengesetzten Richtung. Wird die Ausbreitungsrichtung
der Anlage in Rechnung gestellt, so ist dies eine interessierende Beziehung. Für eine gegebene, mit der Pumpe
entstehenden Druckwelle und dem Abwärtsströmen in derselben Richtung wie die Schlammströmung besteht ein positiver
Druckanstieg und ein entsprechender Geschwindigkeitsanstieg. Umgekehrt wird, wo ein Druckiapuls am Bohrlochgerätentsteht
und sich gegen die Schlammströmung aufwärts bewegt, ein am Meßgerät entstehender Impuls und die
ausgebreitete Aufwärtsströmung des Schlamms von einer Abnahme der Schlammgeschwindigkeit im Bohrloch begleitet.
Gefühlsmäßig stimmt es mit der Beobachtung überein, daß das Meßgerät, das kurzzeitig die Schlammströmung verengt
und einen Druckimpuls liefert, auch die Schlammströmungsgeschwindigk.eit
verzögert.
Dies ist ein lineares Phänomen und somit werden die in beiden Richtungen verlaufenden Impulse algebraisch addiert,
Deshalb sind Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen kumulativ.
Nach dieser Erläuterung können durch die Erfindung Messungen aus dem Bohrlochabsenken erhalten werden, die vor
Störgeräuschen geschützt sind. Die Erfindung benutzt deshalb eine Pitotröhre, die im Bohrschlamm stromabwärts gerichtet
und deshalb gegen Druckwellen aus der Schlammpumpe abgeschirmt ist. Ferner kann die Vorrichtung durch Verändern
der Querschnittsfläche dadurch abgestimmt oder eingestellt werden, daß eine Gummi-oder andere biegsame
Rohrblende in den Schlammströmungsweg gebracht wird. Eine
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geschlossene hydraulisclie Anlage am Sand der Blende
ist hierbei eingeschlossen. Wenn der Druck in der hydraulischen Anlage ansteigt, dehnt sich die Blende aus,
wodurch, der axiale Durchgang verengt wird.
Die einzige Zeichnung zeigt den Druckimpulsdetektor nach der Erfindung in einer SchJLammleitung, die im Schnitt
gezeigt wird und ferner eine Ausgangsvorrichtung zum Umwandeln von Druckschwankungen in Signale entsprechender
Form enthält.
In der Zeichnung ist die Peststellanlage 10 in einer Schlammleitung als ein Druckimpulsdetektor installiert.
Die Anlage 10 befindet sich in der Schlammleitung vorzugsweise zwischen der Schlammpumpe an der Oberfläche und der
Mitnehmerstange und ist dort am oberen Ende des Bohrstrangs angebracht. Die jeweilige Lage ist nicht kritisch und liegt
am besten über der Mitnehmerstange, beispielsweise am oberen Ende des Schlammschiauchs oder neben dem Schwanenhals.
Die Vorrichtung enthält in manchen Fällen ein API-Normrohr 12, das leicht auszuschließen ist. Ein anderes API-Normrohr
14 befindet sich gegenüber dem Rohr 12. Beide Rohre sind mittels einer Kupplung 16 mit üblichen oder - Norm-API-Gewinden.
Dichtungen usw verbunden. Einzelheiten und Gewinde können natürlich verändert werden. Die Kupplung 16
enthält das Gerät nach der Erfindung. Insbesondere ist das Gerät am oberen und unteren &nd.e symmetrisch und kann eine
Blende 18 aufnehmen oder enthalten. Die Blende ist konzentrisch um die Achse herum angeordnet, wie es die Zeichnung
erkennen läßt. Die Blende ist ein hohles, rohrförmiges Teil und liegt zwischen einer Eippe 20 am Rohr 12 und einer
gleichen Rippe 22 an der Kupplung 16. Die Rippen 20 und 22 halten ein Endteil der Blende. Die Blende ist mit einem
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länglichen, hohlen und rohrförmigen Körper versehen. An seinem Ende befindet sich ein heraustretender kreisrunder
Flansch. Die Mittelteile können sich frei biegen und ausdehnen.
Die Kupplung 16 arbeitet primär als Rohrkupplungen an den Enden, aber die mittleren Teile enthalten einen Teil
der hydraulischen Kammer. In die abgeschrägte öffnung ist ein Paßteil 24 eingeschraubt, um hydraulisches öl unter
Druck in eine Kammer 28 einzuführen, die öl unter Druck aufnimmt und sich befindet im Innern der Kupplung 16 und
am Äußern der Gummiblende 18.
Die Kupplung 16 besitzt somit eine gekrümmte Oberfläche 30, die die Kammer 28 bestimmt und deren Länge dort begrenzt,
wo hydraulische Flüssigkeit aufgenommen wird. Die Blende 18 besitzt die Form einer Muffe und umgibt vollständig
den Axialdurchgang durch das Gerät. Wenn die Blende 18 einem verringerten Druck ausgesetzt wird, schrumpft sie
und vergrößert so den Durchmesser ihres axialen Durchgangs. Dies hängt von dem Druckausgleich ab, der zwischen dem
Druck des durch den Bohrstrang fließenden Schlamms und dem der hydraulischen Flüssigkeit erfolgt. Dieser Druckausgleich
wird im einzelnen noch beschrieben werden.
Ein handbetätigter Zylinder oder eine Pumpe liefert die unter Druck stehende hydraulische Flüssigkeit an die
Blende, um diese auszudehnen. Das Rohr 14 enthält eine zugespitzte öffnung 34, die wiederum zu einem Durchgang
offen ist, der ein großes gebohrtes Loch zur Aufnahme eines Pitotrohres 38 enthält, das abwärts gerichtet ist.
Der Schlammfluß durch das Gerät verläuft von links nach rechts in der Zeichnung, d.h. der Schlammfluß verläuft
von einer stromungsaufwärts liegenden Stelle zur Öffnung
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des Pitotrohres, die zum Gerät zum Messen während des Bohrens und nicht zur Schlammpumpe gerichtet ist.
Demnach sind die Pumpendruckwellen nicht abgeschirmt. Mittels einer entsprechenden Strömungsleitung ist der
Schlamm im Pitot-Rohr an einen Drucksignalwandler 40 gekoppelt. Es kann ein üblicher Wandler, z.B. ein Belastungsmeßdruckwandler
benutzt werden. Eine andere Konstruktion benutzt Quarze oder andere piezoelektrische
Kristalle. In manchen Fällen wird der Druck in eine besondere Form eines Ausgangssignals umgewandelt, z.B. ein
Signal, das von einem piezoelektrischem Kristall geliefert wird. Dieses Signal wird dann an einen Dekoder 42 gegeben,
der dann wiederum die Druckimformation in elektrischer Form
an einen Streifenmeßschreiber 44 liefert, der den ßruck als Funktion der Zeit aufzeichnet, der vom Gerät abgetastet
wird.
Der Ausdruck "Geräusch" bezieht sich auf eine Druckewelle, die von dem durch das Pitotrohr gekuppelt ist, von unten
kommt ein Signal und jetzt haben beide dieselbe physikalische Form, nämlich eine Druckwelle am Ausgang des Pitot-Rohres.
Im Betrieb erfordert das Gerät eine weitere Ausarbeitung. Bei einem gegebenen Pitot-Rohr besteht ein Stagnationsdruck, der durch bekannte Begriffe gegeben ist. Der Stagnationsdruck
ist eine Variante des Anlagendrucks, wie er durch die nachstehende Gleichung gegeben ist:
(2) P0 = P + KV2
worin P0 » der Stagnationsdruck, P = der Anlagendruck,
K = eine Konstante und V = die Strömungsgeschwindigkeit ist.
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In dieser Gleichung ist der zweite Ausdruck positiv oder negativ je nach der Richtung, in die das Pitot-Rohr
weist. Die Konstante wird gewöhnlich durch empirische Beobachtungen gemessen und kann nicht leicht
durch Errechnen oder durch die Theorie vorher bestimmt werden. Dies ergebt sich z.B. aus der Literaturstelle
"Fluid Mechanics" von Daugberty und Ingersoll, 1954-,
Seite 107.
Eine weitere Tatsache ist, die, daß die Blende 18 als
Venturi wirkt. Es ist die Beziehung bekannt, nach der die Geschwindigkeit und der Druck eines Strömungsmittels, das
durch ein Venturirohr strömt, variiert, und eine in ruhigem Zustand befindliche Lösung hierfür ist durch die Bernoulli-Gleichung
gegeben. Eine andere interessierende Beziehung ist die Kontinuitätsgleichung, die sich auf die Geschwindigkeiten
und Flächen bezieht. Die Gleichung ist:
(T1) VA=VA
\J J V 1 Ä/j — V2 A2
worin V1 = die Geschwindigkeit durch die Querschnittsfläche und A1 und V2 = die Geschwindigkeit durch die
Querschnittsfläche A1 bzw. A2 sind. Demnach kann unter
Verwendung der Kontinuitätsgleichung, der Wasser-Hammer-Gleichung, die als erste genannt worden ist, und der
Bernoulli-Gleichung, die Anlage verstanden werden. Ein Druckimpuls aus der Pumpe durch das Ende des Pitot-Rohres,
bewegt sich stromwärts. Gleichzeitig wird er durch den zur Druckwelle gehörende Geschwindigkeitsanstieg herabgesetzt,
d.h. die Druckwelle bildet ein anwachsendes Ausgangssignal für das Pitot-Rohr aus. Die Geschwindigkeitszunahme ergibt ein kleineres Ausgangssignal des Pitot-Rohres,
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- 12 -
Die Größe des Venturirohres wird somit so eingestellt,
daß Druck und Geschwindigkeitsschwankungen gleich werden
und sie sich einander entgegengesetzt aufzuheben versuchen. Die Venturi-Drossel wird somit eingestellt, bis
Pumpendruckwellen aus der Schlammpumpe keine Ausgangsänderungen mehr bewirken. Wenn beispielsweise der normale
ßuhedruck um 175 kg/cm und die Pumpensaugwellen um 17,5
kg/cm über der Norm liegen, können die Druckwellen durch Einstellungen der Venturidrossel zu Null werden.
Wenn umgekehrt ein Signal aus dem Bohrloch auf die Schlammsäule gelangt, ist das Signal definitiv kleiner als die
Pumpendruckwellen. Das kleinere Signal ist stromwärts gerichtet und geht in das Ende des Pitot-Rohres hinein und
ist folglich ein Anstieg des Strömungsdrucks und eine Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit in der Yenturidrossel.
Es sei daran erinnert, daß das Venturirohr vorher so eingestellt war, daß Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen
eines Impulses von gleicher Größe sind. Dieser Impuls geht aber auf die Schlammsäule und geht nicht von dieser herunter,
wenn der Impuls an der Schlammpumpe erzeugt wird.
Bei der ImpulsausSendung auf die Schlammsäule werden die
gesonderten, sich aus Druck und Geschwindigkeitsänderungen ergebenden Schwankungen hinzugegeben. Demnach ist das
Pitot-Rohr-Ausgangssignal als Ergebnis dieser Verstärkung
doppelt so groß. Dieses dient als Signalerhöhung für die sehr kleinen Signale, die aus dem Bohrloch empfangen werden.
Es ist früher beobachtet worden, daß sie sich um JOOO Meter oder mehr durch die Schlammsäule ausbreiten
müssen. Ferner werden sie nicht durch die vielen Tausend Pferdestärken der Quelle selbst eingeleitet, vielmehr
werden sie durch momentane Verengungen im Bohrstrang gebildet oder erzeugt.
133051/0340 _ Λ _
Die vergrößerten Ausgangssignale werden dann durch die
zusätzliche "Vorrichtung bearbeitet, die in der Zeichnung dargestellt ist. Der Signaldetektor kann eine Vorrichtung
nach einer der amerikanischen Patentschriften 3.309656; 3.488.629; 3-55.504; 3.7I6.830 und 3-747.059
sein, auf die hier bezug genommen wird.
Eine typische Anordnung für die Bohrlochimpulse könnte die nachstehende Reihenfolge aufweisen:
a) ein erster Impuls von fünf Sekunden Dauer dient als Eichimpuls;
b) ein zweiter Impuls von fünf Sekunden Dauer pro fünfundvierzig Grad Stauchen stellt eine maximale Impulslänge
von vierzig Sekunden dar;
c) ein dritter Impuls, bei dem fünf Sekunden fünfzehn Grad Neigung für maximal dreißig Sekunden darstellen;
d) ein weiterer Impuls zum Ausrichten, gewöhnlich verkleinert auf zwei Sekunden, stellt einen fünfundvierzig
Grad-Sektor und ein Maximum von vierzig Sekunden dar;
e) ein fünfter oder letzter Impuls dient als Eichimpuls von beliebiger Länge z.B. von fünfzehn Sekunden.
Mit der Erfindung können somit Pumpendruckschwankungen zu
Null gemacht werden. Die Pumpen entwickeln manchmal ihre eigenen Kennsignale, d.h. ein erster Kolben kann eine
Druckschwankung von zwölf Prozent (12%) der Basis erzeugen, während der zweite Kolben eine-Neun Prozent (9%)-Schwankung
bewirken könnte. Die Anordnung nach der Erfindung ist bei einem gegebenen gleichmäßigen Druck angemessen
linear und kann deshalb einen Bereich von Druckschwankungen auf Null bringen und folglich ein entsprechendes
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AusgangsSignalverlust von Geräuschspitzen ergeben.
Die vorstehende Beschreibung ist auf ein Ausführungsbeispiel gerichtet, stellt aber keine Beschränkung der
Erfindung dar.
Es wird eine verbesserte Vorrichtung zur Verwendung
beim Messen während des Bohrens beschrieben, die einen Druckimpuls erzeugt, der von einer Stelle in einem
Bohrloch aufwärts durch den Bohrstrang und die Schlammsäule in diesem geführt wird. Diese Vorrichtung enthält
einen Schlämmleitungsabschnitt, der den Bohrschlamm in der Schlammleitung durch einen axialen Durchgang in dieser
strömen läßt. Die Vorrichtung enthält eine umgebende Blase, die unter Druck stehendes hydraulisches öl einführt,
um den Durchgang zu drosseln. Ein Pitot-Rohr ist stromabwärts fokussiert und unterbricht nicht den Schlammstrom
aus der Pumpe und das Geräusch, das beim Pumpenbetrieb erzeugt wird. In das Pitot-Rohr sind Schlammdruckschwankungen
gerichtet, die stromaufwärts von der Meßvorrichtung zum Messen während des Rohrens gerichtet
sind. Diese Druckschwankungen werden auf ein Drucksignalwandler gekoppelt, der ein Ausgangssignal erzeugt, das
auf-gezeichnet wird. Das Pumpengeräuch wird auf ein Minimum
herabgesetzt.
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ORIGINAL INSPECTED
Leerseite
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Verwendung bei der Feststellung von auf eine Bohrschlammsäule von einer Bohrlochsignalquelle
geförderten Signalen, wobei die Vorrichtung dem Geräusch aus einer strömungsaufwärts liegenden
Quelle, wie einer geräuschvollen Schlammpumpe ausgesetzt ist, und mit der Schlammströmungsbahn an einer
gewählten Stelle verbunden werden soll, gekennzeichnet durch:
a) ein Pitot-Eohr (4-0) mit einem offenen in der Schlammströmungsbahn liegenden Ende, das strömungsabwärts
gerichtet ist;
b) ein in Serie geschaltetes Venturirohr, das über dem Pitot-Rohr (40) und neben dessen offenen Ende
liegt und eine Einrichtung zum Ändern der Verengung des Venturirohres neben dem offenen Ende des Pitotrohres
enthält;,
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ORIGINAL INSPECTED
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Venturirohr
eine längliche, elastische, dehnbare und schrumpfbare Blende (18) aufweist, die in einer länglichen
Rohrkupplung (16) untergebracht ist und um sie herum ein-Strömungsmittel aufnehmende Kammer (28) enthält,
die ein unter Druck stehendes Strömungsmittel aufnimmt, das bei DruckSchwankungen die Blende (18) sich dehnen
oder; schrumpfen läßt und so die VenturiÖffnung verändert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet,
daß die Sohrkupplung (16) zwei Teile aufweist, die zum Verbinden mit zugehörigen
Bohren (12, 14) in der Schlammströmungsbahn verändert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem Pitotrohr (40) mit einem Brucksignalwandler verbunden ist, der aus
dem Bruckschwankungssignal ein elektrisches Ausgangssignal ableitet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,
daß eine Hinrichtung zum Liefern eines unter Druck stehenden Strömungsmittels
an das Venturirohr zum Indern dessen Drosselfläche vorgesehen ist.
6. Verfahren zum Feststellen von strömungsabwärts gerichteten Druckimpulsen aus einer Einrichtung zum Messen
während des Bohrens, die nahe den unteren Teilen eines Bohrstranges befestigt ist und Signale liefert,
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die auf die Schlammsäule im Bohrstrang gelangen
und von Impulsen aus der Geräuschquelle in der Schlammsäule verdeckt werden, gekennzeichnet
durch* folgende Schritte:
a) Anordnen eines Pitotrohres (40) mit einem offenen Ende, das in der Schlammsäule strömungsabwärts gerichtet
ist.
b) Anordnen eines einstellbaren Venturirohres um das
offene Ende des Pitotrohres (4-0) herum.
c) Einstellung des Drosseldurchmessers des Venturirohres auf Nulldruckwellen, die sich in Aufwärtsströmungsrichtung
ausbreiten, so daß sie am Ausgang des Pitotrohres ein minimales Ausgangssignal erzeugen,
und
d) Aufnehmen von Druckimpulsen, die durch die Schlammsäule gesenkt werden und vom Pitotpohr festgestellt
werden und ein Ausgangssignal liefern, das die strömungsauf wärts gerichteten Druckimpulse darstellt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet,
daß die Drossel des Venturirohres durch Anlegen eines unter Druck stehenden Strömungsmittels an die Außenseite eines elastischen
rohrförmigen Teils eingestellt wird, daß als Venturirohr arbeitet, und daß die Druckschwankungen den Durchmesser
der Drossel verändern.
8. Verfahren nach Anspruch 7»dadurch gekennzeichnet,
daß der Druck so eingestellt wird, daß sich der ■Durchmesser der Venturidrossel einstellt,
und daß diese Einstellungen erfolgen, bis die von gesendeten Druckimpulse am Ausgang des Pitotrohres
130051/0340
auf Null gebracht worden sind.
9. Verfahren nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drucksignale am Ausgang des Pitot-Rohres abgetastet werden.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Venturirohr
axial angeordnet ist und einen verringerten Durchmesser aufweist, der mit dem Enddurchmesser des Pitotrohres
(40) verglichen wird und dieses umgibt, und daß der Durchmesser vom Enddurchmesser im Verhältnis zur
Schlammströmungsgeschwindigkeit und zum Druck des Venturirohres herabgesetzt ist.
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US06/031,078 US4224687A (en) | 1979-04-18 | 1979-04-18 | Pressure pulse detection apparatus incorporating noise reduction feature |
GB8017157A GB2076537B (en) | 1979-04-18 | 1980-05-23 | Pressure pulse measurement apparatus |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3022132A1 true DE3022132A1 (de) | 1981-12-17 |
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Family Applications (1)
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DE19803022132 Withdrawn DE3022132A1 (de) | 1979-04-18 | 1980-06-10 | Vorrichtung und verfahren zum feststellen von bohrlochsignalen |
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GB (1) | GB2076537B (de) |
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