DE1448550B2

DE1448550B2 - Verfahren der geophysikalischen Prospektion

Info

Publication number: DE1448550B2
Application number: DE19631448550
Authority: DE
Inventors: Jesse Theodore Livermore Calif.; Waters Kenneth Harold Ponca City OkIa.; Cherry jun. (V.St.A.). GOIv
Original assignee: Continental Oil Co Ponca City Okia VStA
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1962-11-14
Filing date: 1963-11-12
Publication date: 1970-11-05
Also published as: NL300452A; JPS509721B1; DE1448550A1; US3286783A; ES293526A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der geophysikalischen Prospektion, bei dem an einem ersten Ort auf der Erdoberfläche seismische Wellen einstellbarer Frequenz, Schwingungsart und Phase ausgesandt werden und an einem zweiten Ort auf der Erdoberfläche die zugehörigen, von seismischen Horizonten reflektierten Wellen aufgefangen werden.

Verfahren dieser Art haben sich in neuerer Zeit mehr und mehr eingeführt und die älteren Prospektionsmethoden, bei denen in mehr oder weniger tief in den Erdboden eingelassenen Bohrlöchern Sprengladungen gezündet und die entstehenden Explosionswellen an anderer Stelle aufgefangen wurden, dank ihrer erheblich geringeren Kosten fast vollständig verdrängt. Entsprechend zahlreich sind denn auch die zur Durchführung dieser Verfahren bekanntgewordenen Vorrichtungen.

Wesentlichster Bestandteil aller dieser bekannten Vorrichtungen ist eine schwingende Masse, die von außen her in ihrer Bewegung relativ zu einem auf den Erdboden aufgesetzten oder darin eingelassenen Koppelorgan gesteuert werden kann. Die Steuerung der Schwingungsbewegung erstreckt sich dabei sowohl auf die Frequenz als auch auf die Amplitude, und außerdem lassen sich einige der bekannten Vorrichtungen auch wahlweise in verschiedenen Arten. zum Schwingen bringen, indem ihre schwingenden Massen entweder horizontale oder vertikale Linearschwingungen oder aber Torsionsschwingungen um eine vertikale Achse ausführen können. Immer aber wird bei den bekannten Vorrichtungen die für eine bestimmte Messung eingestellte Schwingung nach Art, Frequenz und Amplitude festgehalten.

Von den bekannten Prospektionsverfahren und -Vorrichtungen sind an sich diejenigen theoretisch im Vorteil, die mit seismischen Scherungswellen arbeiten, da sich diese Wellen im Vergleich zu Kompressionswellen nur mit halber Geschwindigkeit im Erdboden fortpflanzen und daher bei gleich niedriger Frequenz und damit gleich großer Eindringtiefe in den Erdboden ein doppelt so hohes Dickenauflösungsvermögen für horizontale Erdschichten zeigen sollten. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß mit Hilfe von Scherungswellen gewonnene Seismogramme nur sehr schwer auswertbar sind. Dies liegt im wesentlichen an Überlagerungserscheinungen, die sich insbesondere in den oberflächennahen Erdschichten mit stark verwitterter Struktur einstellen und eine Unterscheidung der verschiedenen reflektierten Wellen voneinander und von Störsignalen erschweren. Diese Auswertungserschwernisse sind zusammen mit den Schwierigkeiten bei der Erzeugung ausreichend kräftiger Scherungswellen bisher Grund gewesen, daß sich die an sich vorteilhafteren, mit Scherungswellen arbeitenden Verfahren in der Praxis nicht durchsetzen konnten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der geophysikalischen Prospektion zu schaffen, das die obenerwähnten Schwierigkeiten vermeidet und eine Ausnutzung von seismischen Scherungswellen für seismologische Untersuchungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß lineare Horizontalschwingungen bestimmter Frequenz zusammen mit gleichfrequenten Torsionsschwingungen um eine Vertikalachse mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° ausgesandt werden.

Durch die erfindungsgemäße Kombination zweier unterschiedlicher Schwingungsarten für jede Einzelmessung erhält man die Möglichkeit, den störenden Einfluß von Oberflächenwellen auf das aufzuzeichnende Seismogramm auszuschalten, wobei diese Ausschaltung physikalischer oder elektronischer Art sein kann. Im Ergebnis kommt man also zu Seismogrammen, die sich weit einfacher und genauer auswerten lassen als bisher.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zwei Arbeitsweisen bevorzugt. Zum einen kann man beide Schwingungsarten gleichzeitig und mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° erzeugen. Statt dessen kann man beide Schwingungsarten aber auch nacheinander mit einem einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° entsprechenden zeitlichen Abstand erzeugen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht. Dabei zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Vibrators zum Erzeugen von linearen Horizontalschwingungen,

F i g. 2 eine entsprechende Seitenansicht eines im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Vibrators zum Erzeugen von Torsionsschwingungen um eine vertikale Achse und

F i g. 3 ein Strahlungsdiagramm für die Ausbreitung der seismischen Wellen bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der in F i g. 1 dargestellte Vibrator 10 zum Erzeugen von linearen Horizontalschwingungen besitzt als Hauptbestandteile eine Schwingmasse 14 zum Erzeugen der Schwingungen und ein Koppelorgan 12 zum Einbringen der Schwingungen in den Erdboden. Das Koppelorgan 12 besteht im wesentlichen aus einer Grundplatte 30 mit einer ebenen Unterseite 32, von der kegelförmige Vorsprünge 34 ausgehen, die beim Betriebe des Vibrators 10 in die Erdoberfläche 42 eindringen. Die Schwingmasse 14 ist ein massiver Metallblock mit einer Innenbohrung 16 in Form eines horizontalen Zylinders, in der ein Kolben 18 axialverschieblich geführt ist, der über Kolbenstangen 40 und seitliche Ständerplatten 36 und 38 mit der Grundplatte 30 verbunden ist. Außerdem münden in die Bohrung 16 zu beiden Seiten des Kolbens 18 zwei Druckmittelkanäle 20 bzw. 22, über die der Kolben 18 durch ein Vierwegeventil 24 mit über flexible Leitungen 26 zugeführtem Druckmittel beaufschlagt und in axiale Schwingungen gegenüber der Schwingmasse 14 versetzt werden kann.

Seitlich an der Grundplatte 30 angreifende Tragsäulen 44 und 46 verbinden den Vibrator 10 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Lastwagen, der einerseits als Transportmittel für den Vibrator 10 und andererseits als vertikale Belastung für die Grundplatte 30 während des Vibratorbetriebs im Gelände dient. Durch federnde Ausbildung der Verbindung zwischen den Tragsäulen 44 und 46 und der Grundplatte 30 über Luftkissen 52 und 54 und Spiralfedern 64 und 70 ist sichergestellt, daß die' durch den Kolben 18 auf die Grundplatte 30 und über diese auf den Erdboden übertragenen Horizon- ' talschwingungen vom Lastwagen ferngehalten werden. Frequenz und Amplitude dieser Horizontalschwingungen lassen sich durch entsprechende

Claims

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Steuerung der Druckmittelzufuhr zur Bohrung 16 lieh größeren und in F i g. 3 durch den gestrichelten

über das Vierwegeventil 24 gegebenenfalls auch fern- Halbkreis 208 umschlossenen Gebietes relativ starke

gesteuert beliebig einstellen. Als Ergebnis dieser Scherungswellen.

Schwingungen pflanzen sich im Erdboden, ausgehend Innerhalb des von der gestrichelten Linie 206 um-

vom Standort des Vibrators 10, sowohl senkrechte 5 schlossenen Bereichs erzeugen also beide Vibratoren

als auch horizontale Scherungswellen fort. 10 und 100 Scherungswellen von relativ großer

Der in F i g. 2 veranschaulichte Vibrator 100 zum Stärke, und es laßt sich daher durch geeignete Wahl Erzeugen von Torsionsschwingungen um eine verti- der Phasenlage dieser beiden Arten von Scherungskale Achse besitzt ebenfalls eine Schwingmasse 104 wellen relativ zueinander erreichen, daß sie sich im und ein Koppelorgan 102 zum Erzeugen der Schwin- io oberflächennahen Bereich gegenseitig auslöschen, gungen bzw. zu deren Einbringen in den Erdboden. was wiederum zu einer erwünschten Beseitigung von Das Koppelorgan 102 ist ein flacher Kegel 112 mit Störungen im Seismogramm auf Grund von Obereiner ebenen Unterseite 106, von der Vorsprünge flächenreflexionen führt.

108 ausgehen, die beim Betriebe des Vibrators 100 In der Praxis werden dazu die beiden Vibratoren

in die Erdoberfläche 110 eindringen. Am oberen 15 10 und 100 in Verbindung mit gemeinsamen Nestern

Ende ist der Kegel 112 mit der Welle 114 eines von Geophonen 210 bzw. 212 auf der Erdoberfläche

Drehschwingmotors 116 verbunden. Die Schwing- 200 sowie einem Aufzeichnungsgerät 213 für Seismo-

masse 104 besteht aus einem den Drehschwingmotor gramme betrieben.

116 umgreifenden U-förmigen Metallklotz 128 und Die erwünschte Beseitigung der Oberflächeneiner unterseitig daran befestigten Grundplatte 118. 20 reflexion läßt sich dann auf zweierlei Weise er-Die Grundplatte 118 besitzt eine zentrale Öffnung reichen.

119 für den Durchtritt der Welle 114 und ruht auf Zum einen kann man die beiden Vibratoren 10 dem Kegel 112 über ein Drucklager 120 mit Lauf- und 100 am gleichen Standort nacheinander mit flächen 124 und 126 und Druckrollen 122. Die Schwing- gleicher Frequenz betreiben und identische Signale masse 104 ist einerseits über den Drehschwingmotor 25 erzeugen, die elektronisch um 180° phasenverschoben 116 mit dem Koppelorgan 102 und andererseits über werden, worauf die von den horizontal orientierten beidseits an der Grundplatte 118 angreifende Trag- Geophonen 210 oder 212 aufgenommenen Seismosäulen 152 bzw. 154 mit einem in der Zeichnung gramme addiert werden. Man erhält dann eine Ausnicht dargestellten Lastwagen verbunden. Der Last- löschung der vom Linear-Vibrator 10 erzeugten wagen dient wieder als Transportmittel und als 30 oberflächennahen Scherungswellen durch die vom vertikale Belastung für den Vibrator 100, wobei zwi- Torsions-Vibrator 100 erzeugten Signale und damit sehen den Tragsäulen 152 und 154 und der Grund- die erwünschte Ausschaltung der durch oberflächenplatte 118 vorgesehene Luftkissen 162 bzw. 160 da- nahe Reflexionen verursachten Geräusche aus dem für sorgen, daß die vom Drehschwingmotor 116 auf Seismogramm.

das Koppelorgan 102 und über dieses auf den Erd- 35 Zum anderen kann man an Stelle eines auf-

boden übertragenen Torsionsschwingungen um die einanderfolgenden Betriebs der beiden Vibratoren 10

durch die Welle 114 gegebene Achse vom Lastwagen und 100 und elektronischer Korrelation der aufge-

ferngehalten werden. zeichneten Seismogramme die beiden Vibratoren 10

Frequenz und Amplitude der vom Vibrator 100 und 100 aber auch gleichzeitig betreiben, wobei dann erzeugten Torsionsschwingungen lassen sich durch 40 etwa der Torsions-Vibrator 100 mit einer Phasenentsprechende Steuerung des Drehschwingmotors 116 verschiebung von 180° gegenüber dem Lineargegebenenfalls auch ferngesteuert beliebig einstellen, Vibrator 10 arbeiten und Drehscherungswellen er- und als Ergebnis dieser Schwingungen pflanzen sich, zeugen müßte, die zu einer Auslöschung der vom ausgehend vom Standort des Vibrators 100, Dreh- Vibrator 10 innerhalb des Bereichs innerhalb der gescherungswellen nach allen Seiten hin im Erdboden 45 strichelten Linie 206 hervorgerufenen Scherungsfort. _ wellen führen. Die innerhalb dieses Bereichs abge-

In F i g. 3 ist die Durchführung des erfindungs- strahlten Scherungswellen 214 würden dann sehr gemäßen Verfahrens im Gelände veranschaulicht. schwach ausfallen und dementsprechend auch zu nur Dabei sind zwei Vibratoren 10 und 100 der in schwachen reflektierten Wellen 216 für die Geophone F i g. 1 bzw. 2 dargestellten Bauart am gleichen 50 210 führen, während die in größere Tiefen geStandort auf der Erdoberfläche 200 nebeneinander richteten Scherungswellen 217 vom Vibrator 10 im angeordnet. Außerdem ist angenommen, daß in ge- wesentlichen ungeschwächt bleiben und daher auch ringer Tiefe im Erdboden eine erste horizontale starke reflektierte Wellen 218 für die Geophone 210 Schichtgrenze 202 und in größerer Tiefe eine zweite zur Folge haben. Auch auf diese Weise wird also der horizontale Schichtgrenze 204 vorhanden sind. * 55 störende Einfluß oberflächennaher Reflexionen auf

Beim Betriebe des Torsionsschwingungen mit das Seismogramm ausgeschaltet,
vertikaler Achse erzeugenden Vibrators 100 pflanzen
sich einerseits relativ schwache Scherungswellen in

angenähert senkrechter Richtung nach abwärts und Patentansprüche:
andererseits relativ starke Scherungswellen in hori- 60

zontaler Richtung nahe der Erdoberfläche im Erd- 1. Verfahren der geophysikalischen Prospekboden fort. Der Bereich des Erdbodens, in dem re- tion, bei dem an einem ersten Ort auf der Erdlativ starke, vom Vibrator 100 ausgehende Scherungs- oberfläche seismische Wellen einstellbarer Frewellen vorhanden sind, ist daher etwa durch den von quenz, Schwingungsart und Phase ausgesandt der gestrichelten Linie 206 in F i g. 3 umrissenen Be- 65 werden und an einem zweiten Ort auf der Erdreich gegeben. oberfläche die zugehörigen, von seismischen

Der lineare Horizontalschwingungen erzeugende Horizonten reflektierten Wellen aufgefangen wer-

Vibrator 10 dagegen erzeugt innerhalb eines wesent- den, dadurch gekennzeichnet, daß

lineare Horizontalschwingungen bestimmter Frequenz zusammen mit gleichfrequenten Torsionsschwingungen um eine Vertikalachse mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° ausgesandt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwingungsarten gleichzeitig und mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwingungsarten nacheinander in einem einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° entsprechenden zeitlichen Abstand erzeugt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen