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Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Flüssigkeitsstandes bei
Bohrungen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Echometerverfahren und
eine Echometervorrichtung. Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und
eine Vorrichtung zur Messung und Registrierung des Flüssigkeitsstandes bei Bohrungen,
insbesondere Erdölbohrungen.
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Bei Erdölbohrungen ist es erforderlich, öfters die Tiefe des ölspiegels
festzustellen, um die Förderleistung entsprechend dem vorh.andenen Öl regeln zu
können.
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Um den Flüssiglçeitsstand in Erdölbohrungen zu messen, wind in bekannter
Weise ein Impuls (einer Druck- oder Schallwelle) in Richtung auf die Flüssigkeitsoberfläche
gesendet und die Zeitdifferenz zwischen Sende- und Echoimpuls von der Flüssigkeitsoberfläche
gemessen. Ein solcher (Schall-) Impuls kann durch Abfeuern einer Patrone erzeugt
werden was jedoch eine nidht seh.r befriedigende Lösung ist, da die Abschußvorrichtung
für die Patrone schnell verschmutzt und nicht dauernd betriebsbereit ist und außerdem
eine gewisse Explosionsgefahr bedingt. Die Häufigkeit der Messungen des Flüssigkeitsspiegels
muß aber relativ groß sein, so daß sich bereits nach kurzer Zeit die Notwendigkeit
der Auswechslung bzw.
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Reinigung der Abschußvorrichtung ergibt. Außerdem weisen solche von
explodierenden Patronen erzeugten Stoßwellen ein sehr breites Frequenzspektrum auf,
was infolge des unterschiedlichen Reflexionsverhaltens derselben zu einer Unmenge
von Störsignalen führt, wobei die letzteren oft so stark werden können, daß das
für die Messung entscheidende Refiexionssignai das am Flüssigkeitsspiegel entsteht,
bei der Anzeige unterdrückt oder überlagert wird, so daß Unsicherheiten in das Meßverfahren
hineingetragen werden.
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Den letztgenannten Nachteil weisen auch die Schallsender auf, die
mit einem unter Druck stehenden Luftstrahl arbeiten, der durch eine Düse geschickt
wird.
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Bei dieser ebenfalls bei Erdölbohrungen verwendeten Meßmethode besteht
natürlich auch eine Stoßwelle mit dem genannten nachteiligen breiten Frequenzspektrum.
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Die Möglichkeit einer Verschmutzung und damit die Notwendigkeit einer
häufigen Auswechslung der Reinigung ist zwar bei dieser Apparatur nicht in dem Maße
gegeben wie bei der obengenannten Patronenabfeuerungsvorrichtung. Es ergibt sich
aber auf der anderen Seite der lästige Umstand, daß eine Preßluftvorrichtung vorhanden
sein muß, was natürlich eine Beschränkung der Beweglichkeit der Apparatur bedeutet,
besonders bei Netzanschlußgeräten, bei denen die Luftmenge registriert werden muß
wenn die Förderleistung festgelegt werden soll.
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Als Detektor für das Echo dient üblicherweise ein Mikrophon, als
welches entweder ein Drehspulmikrophon oder ein Hitzdrahtmikrophon Verwendung fin-
den
kann. Die im Mikrophon erzeugten elektrischen Signale werden verstärkt und steuern
eine Registrileranordnung. Die Verstärkungsanordnungen, die bei den üblichen Vorrichtungen
benutzt werden, sind nicht zufriedenstellend, insbesondere zeigen sich dann Mängel
derselben, wenn die Vorrichtung für eine Vielzahl von (Öl-) Quellen mit sehr unterschiedlichen
Ftüss.igkeitsständen Verwenldung finden muß.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein (Netz) unabhängiges,
leicht transportables Echometer zu schafen, welches die obengenannten Nachteile
vermeidet.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und Registrierung
des Flüssigkeitsstandes bei Boihrungen, insbesondere Erdölbohrungen, wobei in Richtung
auf die Flüssigkeitsoberfläche eine Schallwelle ausgesendet wird und die reflektierte
Welle mittels eines Mikrophons nachgewiesen wird und die vom Mikrophon erzeugten
Signale verstärkt und registriert- werden, bei dem ein Schallsender verwendet wird,
dessen Grundfrequenz weniger als 50Hz beträgt, und das verwendete Mikrophon seine
größte Empfindlichkeit in einem Frequenzbereich unterhalb von 50 Hz aufweist.
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Die Vorrichtung zur Messung und Registrierung des Flüssigkeitsstandes
bei Bohrungen, insbesondere Erdölbohrungen, nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
enthält Mittel zur Erzeugung und Aussendung einer Schallwelle in Richtung auf den
Flüssigkeitsspiegel sowie andere Mittel zum Nachweis, zur Verstärkung und zur Registrierung
der reflektierten Schallwelle. Gemäß der Erfindung besteht dabei der Schailsender
aus einer elastischen Membran, z. B. aus Gummi od. dgl. die über ein Resonanzgehäuse
gespannt ist, welches einen relativ engen Ansatz aufweist, der in die Bohrung der
Erdölquelle eingesetzt wird, so daß, wenn idie Membran zur Erzeugung einer Schallwelle
angeregt wird, ein entsprechender Schallimpuls auf die Flüssigkeitsoberfläche ausgesendet
wird. Die Membran ist bezüglich ihrer Größe und Formgebung und/oder ihres Materials
so ausgewählt, daß ihre Grundfrequenz weniger als 50 Hz beträgt.
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Der gemäß der Erfindung vorgesehene Sch,alldetektor hat eine maximale
Empfindlichkeit im Bereich von weniger als 50 Hz.
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Tiefe Frequenzen werden verwendet, weil höhere Frequenzen stärker
in der Bohrung bzw. Erdölbohrung gedämpft werden, insbesondere wenn sich in ihr
Hindernisse wie Röhren, Isolatoren od. dgl. befinden.
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Als Schalldetektor wird vorzugsweise ein Hitzdrahtmikrophon verwendet,
das für die sehr niedrigen Frequenzen von weniger als 50Hz empfindlich ist.
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Drehspulmikrophone sind zwar im allgemeinen sehr empfindlich, jedoch
liegt ihr Empfin.dlichkeitsbereich bei höheren Frequenzen, so daß die Unterscheidung
zwischen den Reflexionen an der Flüssigkeitsoberfläche und den Reflexionen a§l den
Hindernissen, z. B. Rohrverbindungen usw., schwieriger wird. Das Drehspulmikrophon
erfordert im allgemeinen Frequenzen, die oberhalb 50 Hz liegen, so daß ein Hitzdrahtmikrophon
sich als geeigneter erweist.
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Die Membran wird vorzugsweise am Umfang. einer zylindrischen Kammer
befestigt, welche ihrerseits über eine Öffnung in ihrem Bodenteil mit einem Rohr
in Verbindung steht, das in die Bohrung miindet. Dieses Rohr hat einen Durchmesser,
der viel kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Kammer ist. Das Hitzdrahtmikrophon
wird an dem oberen Ende dieses Rohres in der Nähe der'Verbindungsstelle mit der
zylindrischen Kammer vorgesehen. Befindet sich das Mikrophon an dieser Stelle, an
der das enge Rohr in die weite zylindrische Kammer übergeht, so ergeben sich besonders
günstige Bedingungen für die Anzeige des Echos; dieses ist wahrscheinlich dadurch
bedingt, daß sich das Mikrophon gewissermaßen am offenen Ende eines Resonanzrobres
befindet, d. h. an einer Stelle (Schwingungsbauch), an der eine maximale Luftströmung
erzeugt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verstärker mit einem
oder mehreren Filtern versehen, welche wahlweise ein- bzw. ausgeschaltet werden
können, so daß die Empfindlichkeit des. Verstärkers für verschiedene Frequenzbereiche
geändert werden kann und unerwünschte Signale unterdrückt werden können.
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Der Verstärker kann auch mit Mitteln zur Regelung des- Verstärkungsgrades
versehen sein. Durch diese Maßnahme können. schwache Echos, wie sie von tiefen Bohrungen
herkommen, mit größeren Verstärkungen beaufschlagt werden, während starke Echos.
von hochgelegenen Quellen eine entsprechend schwächere Verstärkung erfahren. Hierdurch
kann erreicht werden, daß die Registrieranordnung in beiden Fällen durch ein etwa
gleich großes Signal ausgesteuert wird.
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Zur Registrierung kann irgendeine der bekannten Registriervorrichtungen
Verwendung finden, z.B. eine Registriervorrichtung mit Maßstab, eine Tintenschreiberregistriervorrichtung
usw. Die genannten Registriervorrichungen, die durch das verstärkte Signal betrieben
werden, registrieren den Signalverlauf auf Papier, welches einen Vorschub konstanter
Geschiwindigkeit hat, was z. B. durch Antrieb mit einem Synchronmotor erreicht werden
kann. Einen besseren Spurverlauf des Signals kann man erhalten, wenn speziell imprägniertes
elektrolytisches Papier verwendet wird, durch welches ein Gleichstrom fließt, der
von der Spitze des Stiftes als einer Elektrode ausgeht und die Spur auf idas Papier
leinbrennt. Solche Registrieranordnungen sind bekannt. Die Zeitdiflerenz zwischen
Sende impuls und Echoimpuls ergibt sich aus der Entfernung zwischen den beiden Auslenkungen
der Regi striernadel und der bekannten Vorschubgeschwindigkeit des Papiers. Im nachfolgenden
wir;d die Erfindung an Hand der Figuren beispielsweise erläutert.
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Fig. 1 ist ein Schnitt durch den Schallerzeuger und den Echodeteletor,
wie er für Niederdruckquellen Verwendung finden kann; Fig. 2 ist ein Schaltschema
des Verstärkers; Fig. 3 veranschaulicht den Netzteil; Fig. 4 (c), (b), (c), (d)
veranschaulichen typische Echometeraufzeichnungen, wie sie mi'ttels einer Vorrichtung
gemäß Fig. 1 bis 3 erzeugt werden; Fig. 5 ist ein Schnitt durch einen Schallerzeuger,
wie er für Hochdruckquellen Verwendung findet.
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Gemãß Fig. 1 besteht der Schallsender aus einer kreisförmigen, gewölbten
Gummimembran 10, die mit einer umfänglichen, zur Einspannung dienenden Berandung
11 versehen ist. Die Membran ist über das offene Ende einer zylindrischen Kammer
12 mittels der Bolzen 13 befestigt, welche die Berandung 11 der Membran 10 zwischen
einem Ring 14 und einem Flansch 15 festpressen. Die Kammer 12 hat einen Durchmesser
von ungefähr 20 cm und weist eine Tiefe von 1,5 cm auf. Der Bodenteil 16 der Kammer
12 ist mit einer zentralen Öffnung 17 versehen, die in ein zylindrisches Rohr 18
mündet, welches, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, aus einer Anzahl kleiner
Rohre besteht, die aneinandergeschraubt sind Das untere Ende des Rohres 18 ist mit
einem Verbindungs.-stück 19 versehen, welches in einem am Bohrturm angebrachten
Sockel eingesteckt werden kann. Ein U-förmiger Ring 20 bewirkt eine druckfeste Abdichtung.
Der innere Durchmesser ides Rohres 18 beträgt etwa 3,8 cm. Weiterhin ist ein Dämpfungsglied
21 vorgesehen, welches aus einem zylindrischen Rohr besteht, das an seinem oberen
Ende geschlossen ist und mit seinem unteren Enld;e an eine Drehhülse 22 angeschlossen
ist. Die zylimdrische Rohrwandung des Dämpfungsgliedes 21 ist mit Löchern versehen,
welche den Durchtritt des Schalles gestatten. Das Hitzdrahtmikrophon 23 steht mit
den Leitungsdrähten 24 in Verbindung, die zu den Anschlüssen25 führen. Die Anschlüsse
25 befinden sich innerhalb einer Dose 26, die mittels Bolzen 27 an dem Rohr 18 befestigt
ist.
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Das Mikrophon besteht aus einem Widerstandsdraht von 0,0025 cm Durchmesser.
der aus einer Gleichspannungsquelle von 48 Volt gespeist wird, so daß sich ein Strom
von 200 mA ergibt.
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In tder Fig. 1 nicht gezeigte Verbindungsdrähte führen von den Anschlüssen
24 auf den Verstärkereingang. Das Mikrophon 23 ist nach Abschrauben der Flügelschraube
28 nicht zugänglich-.
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Gemäß Fig. 2 wird das Eingangssignal, welches vom Hitzdrahtmikrophon
23 ankommt, an das Gitter
der Röhre V1 weitergeleitet, wobei es
hundertfach verstärkt wird. Danach wird das verstärkte Signal durch ein Filternetzwerk
C3, C4, C5, R9, C6, C7, C8 geleitet und geht dann über durch den SchalterS2, der
zur Regelung der Verstärkung dient, an das Gitter der Röhre V2. Die Filterschaltung
kann mittels eines Schalters S1 eingeschaltet werden und erlaubt somit eine Regelung
der Frequenzempfindlichkeit des Verstärkers und eine Unterdrückung unerwünschter
Signale (z. B. Reflexionen von Rohrverbindungen, die sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
befinden). Die Röhre V2 ist eine Doppeltriode, wobei das eine Triodensystem zur
Verstärkung des Signals dient, das an das Gitter der Röhre V3 weitergeleitet wird,
welche einen Teil der verstärkten Spannung auf das andere Triodensystem der Röhre
V2 rückkoppelt. Das hierbei erhaltene verstärkte Signal wird an das Gitter der Röhre
V4 weitergeleitet. Die Röhren V3 und K4 bilden einen Kippkreis, dessen Anodenbelastung
aus der in der Mitte angezapften Spule 29 des Registriergerätes besteht. Weiterhin
wird von der dritten auf die erste Stufe eine etwa 400/oige Gegenkopplung vorgesehen,
um den Verstärker gegen Hochspannungs- und Niederspannungsschwankungen zu stabilisieren.
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Bei nicht eingeschalteter Filtersiebkette benötigt der Verstärker
bei einer Frequenz von 25 Hz ein Eingangssignal von 16,5 mV, um einen Vollausschlag
des Registriergerätes zu erzielen. Der Verstärker hat zwischen 10 und 10000Hz eine
lineare Frequenzcharakteristik; der Einfluß bei Einschaltung der verschiedenen Siebketten
ist in' der untenstehenden Tabelle veranschaulicht:
| Eingangssignal |
| Schalterstellung |
| für Vollausschlag Grenzfrequenz |
| zur Einschaltung |
| des Registrier- der Verstärkung |
| verschiedener |
| instrumentes in Hertz |
| Siebketten bei 25 Hertz |
| P0 16,5 mV 15 000 |
| P1 22 mV 500 |
| P2 38 mV 200 |
| P3 86 mV 80 |
Da die Stärke des Eingangssignals ausreicht, um den Verstärker zu übersteuern, ist
ein Schalter S5 vorgesehen, welcher dazu dient, das Sendesignal zu dämpfen, während
bei Ankunft des Echos der Verstärker wieder seine volle Empfindlichkeit erreicht.
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Um die Bedienung des Verstärkers zu erleichtern, ist ein Drehschalter
S und ein Meß,instrument M auf dem Schalterbrett des Verstärkers angebracht. Der
Strom durch das Hitzdrahtmikrophon sowie der Strom durch eine beliebige Röhre als
auch die Hochspannungs- und die Niederspannungspotentiale können durch entsprechende
Meßinstrumente gemessen werden.
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In Fig. 3 ist der Netzteil des Gerätes veranschaulicht. Die Spannung
wird einer 12-Volt-Fahrzeugbatterie mit einer Kapazität von 72 Amperestunden entnommen.
Die Batterie speist einen Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer 30, der etwa 230 Volt
Wechselspannung bei einer Wechselspannungsfrequenz von 50 Hz und einer Wechselspannungsleistung
von maximal 75 Watt erzeugt. Ein Teil der Leistung muß aufgewendet werden, um den
Motor des Registriergerätes 31 anzutreiben. Außerdem wird ein Teil der Leistung
aufgewendet, um die 500-Volt-Gleichspannung für die Schrei,bnadel zu erzeugen. Die
übrige Leistung steht fiür den Betrieb des Verstärkers
zur Verfügung. Wenn man eine
der üblichen Doppelweggleichrichterröhren yj verwendet und ein aus Drosselspulen
und Kapazitäten zusammengesetztes Sfebglied benutzt, erhält man eine stabilisierte
300-Volt-Gleichspannung. Die aus der 12-Volt-Batterie entnommene Leistung beträgt
64 Watt, da die übrigen 10 Watt von einer Hochspannungstrockenbatterie entnommen
werden, die zur Speisung des Hitzdrahtmikrophons dient. Als Standardreg,istriergerät
wird ein »Henry-Hughes-Single-Pen-Teledeltos-Recorder-MKV« mit einer in der Mitte
angezapften Spulenanordnung 29 benutzt, deren Windung einen Widerstand von 5000
Ohm bildet. Das Registriergerät spricht auf Frequenzen im Bereich von 0 bis 80 Hz
bei einer Spitzenempfindlichkeit von 50 Hz an, welches die Eigenfrequenz des Systems
ist.
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Die Vorschubges chwindigkei t des Regis trierpapiers wird auf #1%
mittels eines 50-Hz-Synchronmotors konstant gehalten.- Eine' Überprüfung der Geschwindigkeit
kann in jedem Zeitpunkt mittels eines Hilfsschreibers vorgenommen werden, der mittels
eines durch ein Uhrwerk gesteuerten Impulsgerätes ausgelenkt wind.
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Fig. 4 veranschaulicht typische Aufzeichnungen des Registriergerätes.
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Die Spuren (a) und (b) stammen vdn der Bohrung einer Ölquelle von
18,3 m Tiefe, deren Aufleugehäuse 15,25 cm und deren Förderrohr 10,20 cm Durchmesser
hat. Die Spur (c) wurde in der Bohrung einer Ölquelle von 580m Tiefe erhalten, deren
Außengehäuse 15,25 und deren Förderrohr 11,50 cm hat. Die Spur (d) stammt von einer
Wasserbohrung. Im Falle (b) wurde nur leicht gegen die Membran geklopft; in allen
anderen Fällen wurde scharf mit der Innenfläche der Hand auf die Membran geschlagen.
Bei allen oben vorliegenden Registrierspuren befand sich das im Verstärkerkreis
liegende Filter in der P3-Stellung.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich isst, kann die dort veranschaulichte Vorrichtung
nur bei Bohrungen Verwendung finden, in denen ein niedriger oder gar kein Gasdruck
an der Oberfläche besteht. Fiir Bohrungen, die einen hohen' Gasdruck an der Oberfläche
aufweisen, wird die in Fig. 5 erläuterte Anordnung verwendet. Eine zylindrische
Kammer 12a ist mit einer Öffnung 17a versehen, die ihrerseits mit der Quelle über
ein Rohrstück 18a in Verbindung steht. Die Kammer 12a kann mittels einer Schraubkappe
32 abgeschlossen werden, welche so in die Kammer 12a hineingeschraubt werden kann,
daß sie die umfängliche Berandung 11 a der kreisförmigen Gummimembran 10a einspannt.
Um die Membran 10a zu Schallschwingungen anzuregen, sind auf dem zentralen Teil
der Membran Stäbe 33 und 34 angebracht, welche mittels dreier Bolzen35 aneinander
befestigt sind. Die Stäbe 33 und 34 gehen einerseits durch den Boden 16a der. Kammer
12a und andererseits durch die Schraubkappe 32. Der Stab 34 ist mit einem Schlagknopf
36 versehen; wird der Knopf mittels eines Schlages in Bewegung gesetzt, so wird
die Membran in Schwingungen versetzt. Eine Öffnung 37 dient zum Ausgleich des Druckes
auf beiden Seiten der Membran. Ringdichtungen 38 und 39 sorgen für den Abschluß
der unter Überdruck befindlichen Kammer.
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Die beilden Dichtungsringpaare 39 bewirken, daß auf bei'den Seiten
der Membran gleicher Druck herrscht, so daß bei einem Schlag auf den Schlagknopf
die aufzuwendenden Kräfte nur die Reibungskräfte in den Halterungen zu überwinden
haben.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Ausführung der Messungen
mit Membranschwingern,
wenn der Schailsender eine Grundschwingungsfrequenz
von weniger als 50 Hz aufweist. Die Dämpfung dieser niederfrequenten Schallwellen
hat sich als so gering erwiesen, daß die einfachen Membran schwinger verwendet werden
können, so daß sich damit der lästige Aufwand, der bei den angeführten bekannten
»starken« Schallsendern erforderlich ist, gänzlich erübrigt. Zusätzlich zu der Einsparung
an technischem Aufwand ergibt sich. dabei der Vorteil, daß der weitaus überwiegende
Teil der gesamten Schallenergie bei den erfindungsgemäßen Schallsendern im niederfrequenten
Bereich liegt, da sich auch die Gr,unldsehwing,ung in diesem Bereich befindet.
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Dile Energie der Oberwellen und des den Oberwellen benachbarten Frequenzbandes
ist so gering, daß die Störreflexionen keinen schädigenden Einfluß auf die Anzeige
ausüben können.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist leicht transportierbar und
in jedem Falle zuverlässig. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, eine Schalldetektor
zu verwenden, dessen Hauptempfindlichkeit in einem Bereiche unterhalb 50 Hz liegt,
ergibt sich, selbst bei sehr schwachen Schallsendern, noch eine Anzeige, die frei
von Stõrsignalen ist, da die hochfrequenten Störwellen ohnehin stärker absorbiert
werden als die niederfrequenten Wellen unterhalb 50 Hz, eine Tendenz, die durch
einen selektiven Schallempfänger, der hauptsächlich auf niederfrequente Wellen anspricht,
noch verstärkt wird. Der Ausdruck Resonanzkammer oder Resonanzgehäuse, so er in
der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, bezieht sich auf ein relativ
breites Gehäuse mit einem relativ engen Ansatz, welcher in die Bohrung eingeführt
wird und mit der Quelle in Verbindung steht.
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Eine solche Kammer bewirkt, daß die schwachen Echosignale von der
Oberfläche der Flüssigkeit verstärkt werden, sobald s,ie aus dem engen Ansatz in
die weite Kammer hineingelangen.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Messung und Registrierung des Flüssigkeitsstandes
bei Bohrungen, insbesondere Erdölbohrungen, wobei in Richtung auf die Flüssigkeitsoberfläche
eine Schallwelle ausgesendet wird und die reflektierte Welle mittels eines Mikrophons
nachgewiesen wird und die vom Mikrophon erzeugten Signale verstärkt und registriert
werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallsender verwendet wird, dessen Grundfrequenz
weniger als 50 Hz beträgt, undtdaß das verwendete Mikrophon seine grõßte Empfindlichkeit
in einem Frequenzbereich unterhalb von 50 Hz aufweist.