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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bohrkopfsystem mit integrierter akustischer Quelle und einen Ausleger, der mit elektrodynamischen Aufnehmern bestückt ist.
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Nach dem bisherigen Stand der Technik gab es während des Bohrvorganges keine Indikation, wie weit man sich von einem Ölvorkommen oder sensitiven geologischen Bereichen entfernt befindet. Dadurch besteht die große Gefahr, dass man verlängerte Bohrzeiten in Kauf nehmen muss oder gar an der Zielstelle vorbeibohrt. Bei widerstandsstarken Gesteinen besteht zudem das Risiko, dass der Bohrkopf beim Hineinbohren zerstört wird. Da die Bohrungen in der Regel mindestens vierzig Prozent der Explorationskosten ausmachen, wäre es von großem Vorteil, wenn man nur ein Bohrloch benötigen würde.
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Hintergrund zur Seismik
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Die Seismik ist ein lang eingeführtes Verfahren der Geophysik und liefert für den Ingenieur- und Umweltbereich wichtige Strukturinformationen. In den seismischen Verfahren werden elastische Wellen und Wellenfelder als Informationsträger verwendet, die zu zweidimensionalen Bildern des Untergrundes aufgearbeitet werden können. Dadurch gelingt es, einen direkten Einblick in die komplexe Struktur des Untergrundes zu erhalten.
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Die Geologie oder auch anthropogene Veränderungen im Untergrund beeinflusst die Ausbreitung seismischer Wellen durch Mechanismen wie Reflexion, Brechung, Beugung, Absorption und Streuung. Die seismischen Wellen werden für solche Untersuchungen künstlich erzeugt und mittels elektrodynamischer Aufnehmer aufgezeichnet. Die von der seismischen Quelle ausgesendeten Wellen können sowohl durch Reflexion als auch durch Mehrfachbrechung wieder an die Oberfläche gelangen und dort empfangen werden.
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Etablierte Verfahren der Seismik sind die Reflexionsseismik und die Refraktionsseismik.
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Die Reflexionsseismik zeichnet sich bzgl. der Messanordnung durch eine relativ zur Zieltiefe kurze Quellentfernung aus. Reflexionen werden mittels einer vielkanaligen Empfängerkette aufgezeichnet und bieten die Möglichkeit, ein direkt interpretierbares Abbild der Untergrundstruktur entstehen zu lassen. Die Untersuchungsobjekte sind dabei meist kleinräumig, verglichen mit der Exploration von Lagerstätten und erfordern für die Erreichung eines hohen Auflösungsvermögens hochfrequente und breitbandige Signale. Hohlräume und lockerer Untergrund absorbieren die Wellenausbreitung daher stärker. Als Beispiel für die Reflexionsseismik kann die Druckschrift
US 2013/0 094 352 A1 herangezogen werden.
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Die Refraktionsseismik hingegen erfordert eine deutlich größere Auslage der Empfängerkette an der Oberfläche relativ zur Zieltiefe, um eine verbesserte Aufnahme refraktierter Wellen zu ermöglichen. Das sind Wellen, die den schnellsten Laufweg zwischen Quelle und Empfänger zurückgelegt haben und somit die Ersteinsätze in den seismischen Signalen ergeben. Mittlerweile kann das Verfahren ebenfalls zweidimensionale Bilder des Untergrundes produzieren, ähnlich wie in der Reflexionsseismik. Als Beispiel für die Refraktionsseismik kann die Druckschrift
US 4,926,391 A herangezogen werden.
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Als Verfahren eingeführt ist die Nutzung des sogenannten „Drilling Noise” von Bohrköpfen während ihres Einsatzes als Schallquelle für seismische Untergrunduntersuchungen. Schwächen besitzt das Verfahren dadurch, dass es lediglich eine ungerichtete Quelle (sowohl in zeitlicher als auch in räumlicher Dimension) nutzt, die auf eine effiziente Ankopplung der seismischen Quelle an das anliegende Gestein nicht optimiert ist. Dadurch geht Energie für die Übertragung an das Umgebungsmaterial verloren. Als Beispiele hierfür können die Druckschriften
US 5,109,947 A und
US 5,421,420 A herangezogen werden.
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Die Druckschrift
DE 697 02 937 T2 offenbart eine seismische Impulsquelle für ein Bohrloch, die in einem Bohrloch verwendet wird, das durch eine Formation verläuft und in dem sich ein Bohrstrang befindet, durch den Bohrlochfluid strömt, wobei die Quelle ein Werkzeug im Bohrstrang, das eine Formationskontakteinrichtung, die eine Kopplung des Werkzeugs mit der Formation bewirkt, einen Motor mit einer rotierenden Antriebswelle, einen Rotor, der mit der Antriebswelle gekoppelt ist, einen Stator, der in Bezug auf den Rotor unbeweglich ist, wobei der Rotor und der Stator so beschaffen sind, dass sie im Wesentlichen sinusförmige Signale im Bohrlochfluid erzeugen, wenn sich der Rotor in Bezug auf den Stator dreht, sowie eine Mikroprozessoreinrichtung umfasst, die mit dem Motor gekoppelt ist und den Motor dazu veranlasst, den Rotor in der Weise zu drehen, dass die im Wesentlichen sinusförmigen Signale ihre Frequenz in einem Frequenzhub über einem vorgegebenen Frequenzbereich ändern.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 060 264 A1 offenbart einen Impulsgenerator, der zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper eingerichtet ist. Der Impulsgenerator umfasst eine seismische Masse, die zwischen einer Ausgangsposition und einer Schlagposition beweglich ist und einen Antriebskolben und eine Schlagmasse umfasst, einen Druckzylinder, der zum Antrieb des Antriebskolbens eingerichtet ist, und einen Auflagebereich, der auf den festen Körper aufsetzbar ist. In der Druckschrift
DE 10 2007 060 264 A1 ist der Impulsgenerator jedoch lediglich seitlich am Tunnelbohrer angebracht, es wird kein integrierter Hohlzylinder offenbart.
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Die Druckschrift
US 4,033,429 A offenbart ein Wirkprinzip ohne Fallgewicht, in dem der Bohrkopf auf eine höchste Position angehoben wird und dann eine äußere Manschette des Bohrkopfs langsam auf eine niedrigste Position abgesenkt wird. Hierbei rotiert das innere Bohrgestänge, und sein Auslass passiert jeweils Auslässe der äußeren Manschette, so dass eine sirenenartige Folge von Druckimpulsen abgegeben wird.
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Die Druckschrift
US 7,139,219 B2 schließlich offenbart zwei verschiedene Techniken: i) eine Kombination aus Aufschlagwerkzeug mit variabler Zyklusrate, wobei die Rate derart variiert wird, dass ein kontinuierliches Breitbandsignal entsteht, das wiederum mit dem Aufschlagsignal korreliert wird und ii) ein simples Herabfallen des Bohrgestänges als Ganzes.
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In dieser Beschreibung wird nun ein Bohrkopfsystem-Konzept vorgeschlagen, das mit einer eingebetteten akustischen Quelle (und in einer Ausgestaltung mit einem GPS-Positionierungssystem) versehen ist. Ferner werden zwei Anwendungsgebiete vorgestellt, in denen die Innovation unter Hinzunahme eines etablierten geophysikalischen Verfahrens (Seismik) eingesetzt werden kann.
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Gemäß der Erfindung werden ein Bohrkopfsystem und ein Gesamtsystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Entwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
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In einem ersten Aspekt wird ein Bohrkopfsystem zur Untergrundprospektion vorgesehen, vorzugsweise umfassend einen Bohrkopf mit einer Vielzahl von Bohrmeißeln, und eine seismische Impulsquelle, die in dem Bohrkopf integriert ist.
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Die seismische Impulsquelle umfasst einen in dem Bohrkopf eingelassenen Hohlzylinder, ein Fallgewicht innerhalb des Hohlzylinders, das eingerichtet ist, um seismische Wellen zu erzeugen, und ein Endstück als Anschlag für das Fallgewicht. Der Hohlzylinder ist vorzugsweise innerhalb des Bohrkopfes angelegt. Das Bohrkopfsystem weiterhin vorzugsweise einen Ausfahrmechanismus, der eingerichtet ist, um den Hohlzylinder in vertikaler Richtung aus dem Bohrkopf nach unten hin heraus auszufahren. In letzterem Fall ist der Ausfahrmechanismus vorzugsweise weiterhin eingerichtet, um den Hohlzylinder mit erhöhtem Druck an das Umgebungsmaterial zu pressen.
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In einer zweiten Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst das Bohrkopfsystem weiterhin einen Vorspannmechanismus, der eingerichtet ist, um das Fallgewicht vor dem Herabfallen derart vorzuspannen, dass das Fallgewicht mit einer Beschleunigung größer der ortsabhängigen Fallbeschleunigung auf das Endstück prallt.
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In einer dritten Ausgestaltung umfasst das Bohrkopfsystem weiterhin ein hohles Bohrgestänge, wobei das hohle Bohrgestänge den Hohlzylinder in sich aufnimmt, oder wobei das hohle Bohrgestänge selbst das Fallgewicht und das Endstück umfasst.
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In einer vierten Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst die seismische Impulsquelle zumindest eines der folgenden: eine pyrotechnische Impulsgebereinheit, eine elektrische oder elektronische Impulsgebereinheit, und ein Lautsprechersystem.
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In einer fünften Ausgestaltung umfasst das Bohrkopfsystem weiterhin ein GPS-System, das eingerichtet ist, um eine Position des Bohrkopfes zu bestimmen.
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In einem zweiten Aspekt wird ein transportabler Ausleger vorgesehen, umfassend eine Vielzahl von elektrodynamischen Aufnehmern, die einge-richtet sind, um seismische Impulse aus einem Untergrund zu erfassen, wobei die elektrodynamischen Aufnehmer gemäß einer vorbestimmten Lagebeziehung relativ zueinander positionierbar sind.
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In einer ersten Ausgestaltung des zweiten Aspekts sind die elektrodynamischen Aufnehmer Geophone.
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Die beiliegenden Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die die vorliegende Erfindung jedoch in keiner Weise einzuschränken ist. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben oder ähnliche bildende Elemente. Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung von einzelnen bildenden Elementen nicht die Möglichkeit ausschließt, dass die jeweilige zu Grunde liegende Funktionalität in mehreren Elementen zu implementieren sein kann. Es zeigen:
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1 das Gesamtsystem gemäß der Erfindung, gültig sowohl für Mars Rover als auch irdische Nutzung;
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2A eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bohrkopfsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2B eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bohrkopfsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3A eine schematische Ansicht insbesondere des erfindungsgemäßen Auslegers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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3B eine schematische Ansicht insbesondere des erfindungsgemäßen Auslegers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Das Messverfahren
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Potentiell kommt ein Großteil der in Bohrlochgeophysik verwendeten Messverfahren in Frage. Zu unterscheiden ist hierbei zwischen Verfahren, die vorausschauende Analysen ermöglichen und denjenigen, die lediglich eine Untersuchung der bereits entstandenen Bohrlochwand zulassen, die durch den Bohrvorgang entstanden ist.
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Eine wesentliche Herausforderung bei der Definition eines geeigneten Messverfahrens ist die zur Detektion von Untergrundstrukturen oder der Diskriminierung zwischen physikalisch unterscheidbaren Gesteinsschichten verwendbare Aufnahmearchitektur. Die meisten Verfahren der Bohrlochgeophysik verwenden eine lateral wirkende geometrische Anordnung zur Messaufnahme. Das bedeutet, dass von einer bestimmten vertikalen Position der Sonde im Bohrloch aus eine horizontale Aufnahme von elektrischen oder auch akustischen Parametern erfolgt. Diese Technik ist jedoch nicht geeignet, um eine Auflösung des unterhalb des Bohrkopfes liegenden Bereiches bewerkstelligen zu können.
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Verbleibende mögliche Verfahren und Messanordnungen sind daher akustische (seismische) Verfahren zur zweidimensionalen Auflösung des Untergrundes. Dies ist nur möglich, wenn der Bohrkopf nicht im Vortrieb ist, da ansonsten die akustischen Geräusche des Bohrkopfes die Messungen stören würden:
- 1. Anordnung 1: Akustischer Sender im Bohrkopf (mit Anregung nach unten, lokalisiert zentral an der Spitze des Bohrkopfes), vorzugsweise mit horizontal verteilten Geophonen als Empfängerkette an der Erdoberfläche
- 2. Anordnung 2: Akustischer Sender im Bohrkopf (mit Anregung nach unten, lokalisiert zentral an der Spitze des Bohrkopfes), vorzugsweise mit vertikal verteilten Geophonen als Empfängerkette in einem benachbarten Bohrloch
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Die Materialien bzw. deren Strukturen, die im Untergrund frühzeitig aufgespürt werden sollen, müssen sich durch physikalisch messbare Größen vom umgebenden Material unterscheiden. Dazu eignen sich für die Seismik materialtypische Unterschiede, die sich physikalisch bei den folgenden beiden Parametern niederschlagen:
- 1. Dichte der Materialien
- 2. Wassergehalt (und damit ebenfalls Auswirkung auf die Dichte)
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Mit der Seismik können dadurch prinzipiell die folgenden Untergrundanomalien detektiert werden:
- • Schichtgrenzen
- • Auflockerungen
- • Hohlräume
- • Materialwechsel
- • Geologische Störungen
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Der Vorteil der Seismik besteht darin, dass die seismische Quelle sowohl an der Oberfläche als auch im Untergrund liegen kann. Abhängig von dieser Entscheidung sind die Auswerteverfahren entsprechend anzupassen, um die Ausbreitung der akustischen Strahlwege zwischen Sendequelle und Empfängerkette adäquat rückrechnen und mittels Inversionsverfahren in ein zweidimensionales Diagramm überführen zu können. Damit gelingt es, die geologischen Formationen im Untergrund abzubilden.
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In der nachstehenden Beschreibung werden, zum Zwecke der Erklärung nicht aber der Einschränkung, spezifische Details beschrieben, um ein grundlegendes Verständnis der hier vorgestellten Technik zu gewährleisten. Es ist für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass die vorliegende Technik in anderen Ausführungsbeispielen verwirklicht werden kann, die von diesen spezifischen Details abweichen.
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1 zeigt das Gesamtsystem gemäß der Erfindung, gültig sowohl für Mars Rover als auch irdische Nutzung. Das Gesamtsystem 1 umfasst ein Bohrkopfsystem 10 mit Schallgeber bzw. seismischer Impulsquelle, einen Ausleger 20 mit elektrodynamischen Aufnehmern (insbesondere Geophonen) 201 und ein Trägerfahrzeug 30 mit entsprechenden Kontroll- und Monitoreinheiten zur Steuerung/Regelung und zum Auslesen von Werten des Bohrkopfsystems 10 und des Auslegers 20.
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1 bezieht sich insbesondere auf das Bohrkopfsystem 10 zur Untergrundprospektion, umfassend einen Bohrkopf mit einer Vielzahl von Bohrmeißeln; und eine seismische Impulsquelle 101, 102, 103, die in dem Bohrkopf integriert ist.
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Die seismische Impulsquelle umfasst insbesondere einen in dem Bohrkopf eingelassenen Hohlzylinder 101, ein Fallgewicht 102 innerhalb des Hohlzylinders, das eingerichtet ist, um seismische Wellen zu erzeugen, und ein Endstück 103 als Anschlag für das Fallgewicht. Als (nicht gezeigte) Alternative umfasst die seismische Impulsquelle vorzugsweise zumindest eines der folgenden: eine pyrotechnische Impulsgebereinheit, eine elektrische oder elektronische Impulsgebereinheit, und ein Lautsprechersystem.
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Geltend für alle Ausführungsbeispiele umfasst das Bohrkopfsystem insbesondere ein (nicht gezeigtes) GPS-System, das eingerichtet ist, um eine Position des Bohrkopfes zu bestimmen.
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2A zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bohrkopfsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier ist der Hohlzylinder innerhalb des Bohrkopfes angelegt, es handelt sich mit anderen Worten um einen erfindungsgemäßen Seismo-Bohrer mit indirekter seismischer Impulsübertragung.
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Der Bohrer 10 umfasst ein Bohrgestänge 10a. Der (vorzugsweise metallisch eingelassene) (Hohl-)Zylinder 101 fungiert (vorzugsweise innerhalb des Bohrgestänges 10a) als Fallgewicht 102. Die Resonanz wird durch den Aufprall des (Hohl-)Zylinders auf die Resonanzplatte 103 erzeugt. Schließlich wird die Resonanz unmittelbar über den Bohrkopf auf das Gestein übertragen.
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Ebenso kann der seismische Signalgeber bzw. die seismische Impulsquelle im Bohrer oder Bohrgestänge eine pyrotechnische Einheit oder eine elektronische/elektrische Impulsgebereinheit sein.
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2B zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bohrkopfsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Bohrkopf bzw. Bohrkopfsystem 10 verfügt ebenfalls über das Bohrgestänge 10a und darüber hinaus, gegenüber bisherigen Bohrköpfen mit Bohrmeißeln, zusätzlich über den eingelassenen, metallischen Hohlzylinder 101. Dieser ist an seiner Unterseite mit einer metallischen Platte 103 abgeschlossen. Betrachtet man den Bohrkopf 10 von unten, so befindet sich dieser geschlossene Hohlzylinder 101 vorzugsweise zentral in der Mitte des Hohlzylinders 101 und liegt daher entlang einer virtuellen Verlängerung des verwendeten Bohrgestänges.
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Der Hohlzylinder 101 ist innerhalb mit dem Fallgewicht 102 versehen, das in vertikaler Richtung bewegt werden kann und als Auslöser für die Generierung von seismischen (= akustischen) Wellen dient. In der Ruheposition (= Ausgangsposition) schließt der Hohlzylinder vorzugsweise mit der Außenhaut des Bohrkopfes ab und ist daher während des Bohrvorganges lediglich geringen mechanischen, externen Beanspruchungen ausgesetzt.
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In beiden Ausführungsbeispielen ist das Bohrgestänge 10a vorzugsweise hohl ist und den Hohlzylinder 101 enthalten kann. Als Alternative kann das hohle Bohrgestänge selbst als Hohlzylinder 101 dienen, der Fallgewicht 102 und Endstück 103 umfasst.
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Gemäß der Erfindung umfasst das Bohrkopfsystem 10 weiterhin vorzugsweise einen (nicht gezeigten) Ausfahrmechanismus, der eingerichtet ist, um den Hohlzylinder 101 in vertikaler Richtung aus dem Bohrkopf 10 nach unten hin heraus auszufahren.
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Der Hohlzylinder 101 ist mit anderen Worten vorzugsweise mit dem Hydraulikmechanismus ausgestattet, der es ermöglicht, den Hohlzylinder 101 in vertikaler Richtung aus dem Bohrkopf 10 herauszudrücken, bis er an das benachbarte Umgebungsmaterial stößt.
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Gemäß der Erfindung ist der Ausfahrmechanismus vorzugsweise weiterhin eingerichtet, um den Hohlzylinder mit erhöhtem Druck an das Umgebungsmaterial zu pressen.
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Der Zylinder 101 wird vorzugsweise also nicht nur herausgeschoben und mit der normalen Erdschwerkraft (bzw. der am jeweiligen Ort wirkenden Fallbeschleunigung) an das Umgebungsmaterial gedrückt, sondern mit erhöhtem Druck an das Umgebungsmaterial gepresst. Dadurch lässt sich eine verbesserte seismische Ankopplung an das Umgebungsmaterial (meist Gestein) gewährleisten.
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Innerhalb des Hohlzylinders 101 befindet sich das Fallgewicht 102, dessen Konstruktion vorzugsweise soweit auf den Hohlzylinder 101 abgestimmt ist, dass es während des beschleunigten Fallvorganges nicht durch die im Hohlzylinder enthaltene Luft abgebremst wird. Dies ist vorzugsweise mittels eingebrachter Luftschlitze (vgl. die Entlüftungsbohrung in 2B) gewährleistet.
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Gemäß der Erfindung umfasst das Bohrkopfsystem 10 weiterhin vorzugsweise einen (nicht gezeigten) Vorspannmechanismus, der eingerichtet ist, um das Fallgewicht 102 vor dem Herabfallen derart vorzuspannen, dass das Fallgewicht 102 mit einer Beschleunigung größer der ortsabhängigen Fallbeschleunigung auf das Endstück 103 prallt. Die Beschleunigung des Fallgewichtes und/oder das Ausfahren der Resonanzhülse können/kann vorzugsweise über eine Hydraulik, eine Federvorspannung, eine pyrotechnische Auslösung, einen Seilzugfedermechanismus oder ähnliche Beschleunigungsverfahren/Ausfahr-Mechanismen erfolgen.
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Mit anderen Worten ist das Fallgewicht 102 vorzugsweise mit einem Mechanismus gekoppelt, der es ermöglicht, das Fallgewicht 102 nach Vorspannung mit beschleunigter Kraft auf das tellerartige Endstück 103 des Hohlzylinders 101 aufschlagen zu lassen, als auch das Fallgewicht 102 wieder in seine Ursprungsposition zurückzuziehen.
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Die Bewegung des herausschiebbaren Hohlzylinders 101 als auch die Bewegung des Fallgewichtes 102 innerhalb des Hohlzylinders 101 wird vorzugsweise extern gesteuert (vgl. 1), indem dieser Bereich des Bohrkopfes mit der an der Oberfläche befindlichen Kontrollstation 30 z. B. über Verbindungsleitungen verbunden ist; dies schließt jedoch auch eine drahtlose Ankopplung, soweit anwendbar, nicht aus. Die Steuerung des Vorspann- und Auslösemechanismus für das Fallgewicht 102 als auch die Steuerung des Vorschubs für den Hohlzylinder 101 geschieht vorzugsweise ebenfalls die Kontrollstation 30.
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Ferner erhält die Kontrollstation 30 vorzugsweise Messdaten (Tiefe, Winkellagen) über die Lage von Hohlzylinder 101 und Fallgewicht 102 innerhalb des Bohrkopfes 10 z. B. durch am Bohrkopf implementierte Sensorgeber. Dies kann durch die Verwendung eines GPS-Empfängers ergänzt werden.
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Am besten geeignet sind seismische Quellen, die vorzugsweise einen Dirac-ähnlichen Impuls erzeugen können, wie das bei entstehenden Wellen bei Anwendung der Hammerschlagseismik der Fall ist. Diese physikalische Fähigkeit kann mit dem erfindungsgemäßen Bohrkopf 10 erfüllt werden, da dieser im Stande ist, selbst als seismische Quelle mit definierter Wirkkraft zu fungieren. Über die Integration der seismischen Quelle in den Bohrkopf 10 gelingt eine Verkürzung des Strahlweges zwischen Sender und der an der Geländeoberfläche befindlichen Empfängerkette 20. Damit kann eine höhere Leistung an akustischen Wellen direkt an den Untergrund abgegeben werden, so dass damit höhere Eindringtiefen und ggf. eine verbesserte Auflösung durch Reduzierung der Streuwirkung erzielt werden.
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Ferner kann durch dieses Verfahren eine verbesserte Aufklärung der geologischen Verhältnisse direkt unterhalb des Bohrkopfes gegenüber herkömmlichen seismischen Anordnungen gelingen, da der Bohrkopf eine störende Wirkung auf die seismischen Ergebnisse durch Abschattung und/oder Streuung ausüben kann.
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Diese kombinierte Seismo-Bohrertechnologie kann im kommerziellen Bereich (vgl. nachstehend beschriebene 3B) und Raumfahrtbereich (vgl. nachstehend beschriebene 3A) genutzt werden.
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Gemäß der Erfindung umfasst der transportable Ausleger 20 eine Vielzahl von elektrodynamischen Aufnehmern 201, die eingerichtet sind, um seismische Impulse aus einem Untergrund zu erfassen, wobei die elektrodynamischen Aufnehmer gemäß einer vorbestimmten Lagebeziehung relativ zueinander positionierbar sind. Die elektrodynamischen Aufnehmer 201 sind vorzugsweise Geophone.
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3A zeigt eine schematische Ansicht insbesondere des erfindungsgemäßen Auslegers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Als nicht-einschränkendes Beispiel kann bei der Mars Rover Mission die Reflexionsseismik angewendet werden aufgrund der oberflächennahen Erkundungstiefe sowie der begrenzten Einflussmöglichkeiten im All. Außerdem ist die Reflexionsseismik vorteilhaft aufgrund der erforderlichen Ortsnähe zum Mars Rover (d. h., die Auslage der Geophone muss relativ nah beim Rover erfolgen, da dieser die Geophonkette (Ausleger) mittransportiert und selbst ablegen muss).
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Der Bohrkopf 10 beinhaltet eine akustische Quelle als Impulsgeber in Form des Fallgewichtes 102. Mit dieser Konstruktion kann die seismische Quelle sowohl an der Oberfläche als auch im Bohrloch selbst verwendet werden. Die Empfängerkette 20 bestehend aus Geophonen 201 wird vorzugsweise mittels eines Greifarms (Ausleger) der horizontalen Erkundungsfläche zur Messung abgelegt.
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Durch die Geophone 201 kann ein 2D-Seismogramm erstellt werden, um die geologische Formation im Untergrund abbilden zu können. Die gemessenen und grafisch dargestellten seismischen 2D Daten werden an die Erde gesendet.
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Der Verfahrensablauf liegt wie folgt vor:
- 1. Der Rover fährt an einen geeigneten Untersuchungsort
- 2. Der Bohrkopf 10 wird auf die Geländeoberfläche abgesenkt
- 3. Die Empfängerkette wird auf ebenfalls auf dem Gelände in einer von der Kontrollstation 30 festgelegten Position abgesenkt und in die Geländeoberfläche mittels äußerem Hebelarm eingedrückt
- 4. Der Hohlzylinder 101 schiebt sich aus dem Bohrkopf 10 und wird auf die Geländeoberfläche aufgedrückt
- 5. Das Fallgewicht 102 innerhalb des Hohlzylinders 101 wird vorgespannt und anschließend beschleunigt auf den inneren Boden 103 des Hohlzylinders geschlagen
- 6. Die entstehenden seismischen Wellen werden in den Boden übertragen, an geologischen Horizonten und Verwerfungen reflektiert bzw. refraktiert und schließlich entlang der Empfängerkette 20 (bestehend aus Geophonen 201) aufgenommen
- 7. Die Messdaten der Geophone werden digitalisiert und mittels einer Software in ein Zeitdiagramm übertragen. Weitere Prozessschritte schließen sich an, um auf die aufgenommene geologische Untergrundstruktur rückschließen zu können. Inwieweit die Messdaten an Bord des Rovers oder in der Bodenstation, die auch den Rover steuert, ausgewertet werden, ist abhängig von den Rechenkapazitäten und den Missionsanforderungen.
- 8. Wird entschieden, dass Wiederholungsmessungen an derselben Stelle erforderlich sind, können die Schritte 5 bis 7 erneut durchgeführt werden.
Wird entschieden, dass eine Bohrung lohnt, kann zunächst eine Bohrung gemacht werden und nach Abschluss dieser dann erneut eine seismische Messung durchgeführt werden. In diesem Fall wird vor der Bohrung der Hohlzylinder 101 zurück in den Bohrkopf 10 eingezogen, um den Bohrvorgang nicht zu stören.
Wird entschieden, dass eine weitere Exploration an der aktuellen Stelle nicht sinnvoll ist, sind die Schritte 1 bis 7 erneut durchzuführen.
- 9. Für die Kalibrierung der Laufzeitdaten ist die Kenntnis des erbohrten Materials erforderlich, um Aufschluss über die Dichte und somit des Geschwindigkeit des Materials zu erhalten. Daher ist final eine Probenentnahme aus dem durchstrahlten Bereich vorzusehen.
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Dieses Ausführungsbeispiel bietet die folgenden Vorteile:
- • Zielgerichtetes Bohren im Untergrund spart Zeit und Material
- • Kompaktere Messeinheit gegenüber etablierten Verfahren
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3B zeigt meine schematische Ansicht insbesondere des erfindungsgemäßen Auslegers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Als ein weiteres nicht-einschränkendes Beispiel können in der kommerziellen Anwendung beide Verfahren (Reflexions- wie Refraktionsseismik) angewendet werden. In beiden Verfahren können die von den Geophonen aufgenommenen Informationen zu einem 2D-Seismogramm umgewandelt werden, um die geologische Formation im Untergrund abzubilden.
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Der Bohrkopf 10 beinhaltet eine akustische Quelle als Impulsgeber in Form des Fallgewichtes 102. Mit dieser Konstruktion kann die seismische Quelle sowohl an der Oberfläche als auch im Bohrloch selbst verwendet werden. Die Empfängerkette 20 bestehend aus Geophonen 201 wird vorzugsweise mittels eines Greifarms (Ausleger) auf der horizontalen Erkundungsfläche zur Messung abgelegt.
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Durch die Geophone 201 kann ein 2D-Seismogramm erstellt werden, um die geologische Formation im Untergrund abbilden zu können. Die gemessenen seismischen 2D Daten können vor Ort prozessiert werden.
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Der Verfahrensablauf liegt wie folgt vor:
- 1. Das Fahrzeug 30 fährt an einen geeigneten Untersuchungsort
- 2. Der Bohrkopf 10 wird auf die Geländeoberfläche abgesenkt
- 3. Die Empfängerkette 20 wird auf ebenfalls auf dem Gelände in einer von der Kontrollstation festgelegten Position abgesenkt und in die Geländeoberfläche mittels äußerem Hebelarm eingedrückt
- 4. Der Hohlzylinder 101 schiebt sich aus dem Bohrkopf 10 und wird auf die Geländeoberfläche aufgedrückt
- 5. Das Fallgewicht 102 innerhalb des Hohlzylinders 101 wird vorgespannt und anschließend beschleunigt auf den inneren Boden 103 des Hohlzylinders 101 geschlagen
- 6. Die entstehenden seismischen Wellen werden in den Boden übertragen, an geologischen Horizonten und Verwerfungen reflektiert bzw. refraktiert und schließlich entlang der Empfängerkette 20 (bestehend aus Geophonen 201) aufgenommen.
- 7. Die Messdaten der Geophone 201 werden digitalisiert und mittels einer Software in ein Zeitdiagramm übertragen. Weitere Prozessschritte schließen sich an, um auf die aufgenommene geologische Untergrundstruktur rückschließen zu können. Inwieweit die Messdaten an Bord des Fahrzeugs oder in einer separaten Auswertestation ausgewertet werden, ist abhängig von den Rechenkapazitäten und den Missionsanforderungen.
- 8. Wird entschieden, dass Wiederholungsmessungen an derselben Stelle erforderlich sind, können die Schritte 5 bis 7 erneut durchgeführt werden.
Wird entschieden, dass eine Bohrung lohnt, kann zunächst eine Bohrung gemacht werden und nach Abschluss dieser dann erneut eine seismische Messung durchgeführt werden. In diesem Fall wird vor der Bohrung der Hohlzylinder 101 zurück in den Bohrkopf 10 eingezogen, um den Bohrvorgang nicht zu stören.
Wird entschieden, dass eine weitere Exploration an der aktuellen Stelle nicht sinnvoll ist, sind die Schritte 1 bis 7 erneut durchzuführen.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit lässt sich die Erfindung wie folgt zusammenfassen.
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Es wurde ein Konzept zur Entwicklung eines Bohrkopfsystems mit integrierter akustischer Quelle sowie Ausstattung mit einem GPS-Empfängersystem und Integration desselben für Anwendungsverfahren zur Untergrundprospektion erforscht und entwickelt. Die Entwicklung steht in Kombination mit der kommerziellen Verwendung zur Rohstoffprospektion und Förderung sowie einer Weiterentwicklung des Mars Rovers.
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Mit anderen Worten wird in dieser Patentbeschreibung nun ein Bohrkopfsystem-Konzept vorgeschlagen, das mit einer eingebetteten akustischen Quelle und einem GPS-Positionierungssystem versehen ist. Ferner werden zwei Anwendungsgebiete vorgestellt, in denen die Innovation unter Hinzunahme eines etablierten geophysikalischen Verfahrens (Seismik) eingesetzt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht u. a. die folgenden Vorteile:
- • Effizientes und schnelles Bohren ohne Zeitverlust
- • Keine Standzeiten durch unnötige Reparaturen von Bohrköpfen
- • Gezieltes Monitoring der Untergrundvorkommen
- • Keine separate seismische Quelle erforderlich
- • Verbesserte Auflösung und Eindringtiefe bei Messungen des Untergrundes möglich durch Einsatz der Schallquelle am Ort des Bohrkopfes in der Tiefe
- • Dualer Einsatz des Bohrkopfes möglich, d. h. sowohl an der Oberfläche als auch in der Tiefe
