DE1448671C - Seismisches Verfahren zur Ermittlung der Schallaufzeiten der Verwitterungszone des Erdbodens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein seismisches Verfahren zur Ermittlung der Schallaufzeiten der Verwitterungszone des Erdbodens, bei welchem das Erdreich mit stufenweisem Bohrfortschritt durch eine seismische Energiequelle angeregt wird und Laufzeitmessungen unter Aufnahme des seismischen Schallwellenzuges durch auf der Erdoberfläche aufgestellte Geophone vorgenommen werden.

Bei den bisher gebräuchlichen seismischen Meßverfahren kann eine Schallaufzeit für die obere verwitterte Zone des Erdbodens insoweit als Nebenprodukt mit erhalten werden, als daß die direkte von der in einem Flachbohrloch gezündeten Sprengladung ausgesandte Schallwelle auf ein unmittelbar neben dem Sprengbohrlochmund aufgestelltes Geophon trifft, so daß aus dieser Laufzeit eine Angabe über den Aufbau der am Meßpunkt angetroffenen Verwitterungsschicht mit erhalten wird. Diese eine Angabe ist nur für solche seismischen Messungen ausreichend, bei denen im Verlaufe der Auswertung keine Übereinanderlagerungen (Stapeln) erfolgen.

Bei nahezu allen anderen seismischen Verfahren ist eine genaue laufzeitmäßige Kenntnis des Aufbaues der Verwitterungsschicht erforderlich. Zur vollständigen Ermittlung des Aufbaues der Verwitterungsschicht ist eine einzige Durchschallungsmessung nicht mehr ausreichend, vielmehr muß jeweils etwa in Abständen von einem Meter längs des Bohrloches die Laufzeit eines von diesem Punkt zur Erdoberfläche oder umgekehrt laufenden Schallimpulses gemessen werden. Dies erfordert mithin ein entsprechend häufiges Einbringen von· Sprengladungen und nächfolgendes Zünden derselben in verschiedenen Teufen des Bohrloches. Abgesehen davon, daß das Bohrloch nach den einzelnen Sprengungen oft einstürzt und dann ein oder mehrere neue Bohrlöcher hergestellt werden müssen und somit die Schußbedingungen von Teufe zu Teufe variieren, liefern auch in einem Bohrloch nacheinander abgetane Sprengladungen keine unverfälschten Werte der gesuchten Laufzeiten, da durch die Gewalt der Explosion jeweils das umgebende Erdreich in seinem natürlichen Zusammenhang gestört wird.

Auch die Umkehrung der genannten Meßanordnung, also Explosion nahe der Erdoberfläche und Anordnung eines oder mehrerer Schallempfänger in einem Bohrloch, ist mit vielen Nachteilen behaftet. So ist es nahezu unmöglich, in nicht standfesten Bohrlöchern zu messen, da die dann einzubringende Verrohrung die gewünschte Schallausbreitung stört und zu unrichtigen Meßwerten führt.

In jüngerer Zeit sind seismische Meßverfahren in die Praxis eingeführt worden, bei denen kein Sprengstoff verwandt wird. Die Schallanregung erfolgt insbesondere bei dem gebräuchlichsten dieser" neuen Meßverfahren durch Vibratoren, welche auf mechanisch hydraulischem Wege genau Vorbestimmte Frequenzfolgen aussenden. Auch bei diesem Verfahren ist es zur Auswertung unumgänglich, die Laufzeiten der Verwitterungsschicht an den Meßpunkten genau zu kennen. Eine sichere Angabe über diese Laufzeiten kann nur aus einer Durchschallung der einzelnen Abschnitte des entsprechenden Teiles des Erdreiches erhalten werden. '

Es sind weiterhin akustische Meßverfahren bekanntgeworden, bei denen die Sendeenergie durch die stoßenden bzw. schabenden Geräusche eines Bohrers erzeugt wird. Zufälligkeiten im Frequenzinhalt und in den Amplituden der so erzeugten Signale lassen jedoch keine ausreichende Auswertemöglichkeit der empfangenen Signale zu. Werden jedoch organisierte reproduzierbare Signale durch einen frequenz- und amplitudenkontrollierten Sender erzeugt, so kann durch entsprechende Bearbeitung der empfangenen Signale, beispielsweise durch Korrelation mit den ausgesendeten Signalen, eine gute Information mit hohem Nutz/Störsignalverhältnis erhalten werden.

ίο Ein nach diesem Prinzip arbeitendes bekanntes Meßverfahren wird jedoch mit auf der Erdoberfläche arbeitenden Vibratoren durchgeführt. Eine genaue Kenntnis der Verwitterun'g'szone kann jedoch nur durch zusätzliche Einzelmessungen in verschiedenen Teufen ermittelt werden.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Aufwand zur Herstellung der zur Ermittlung der Laufzeiten der Verwitterungsschicht benötigten Bohrlöcher zu verringern und insbesondere mehrfach aus

so verschiedenen Teufen des gleichen Bohrloches genaue Messungen vornehmen zu können, ohne daß ein zwischenzeitlicher Abbau des Bohrgerätes erforderlich wird, um die genannten Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden. Dies wird durch ein Verfahren

as erreicht, das erfindungsgemäß eine Kombination folgender Merkmale enthält:

a) Das Erdreich wird durch die in an sich bekannter Weise als Vibrationsübertrager dienende Bohrkrone eines Bohrgerätes angeregt;

b) die Anregung des Erdreichs erfolgt in an sich bekannter Weise durch einen sich in der Frequenz ändernden aperiodischen Schallwellenzug., c) der von den Geophonen aufgenommene Wellenzug wird in an sich bekannter Weise gegen den ausgesandten Wellenzug korreliert.

Das so erhaltene Korrelogramm weist einen Autokorrelationsimpuls auf, der die Aussendezeit des Schallwellenzuges darstellt sowie einen Kreuzkorrelationsimpuls, der die Laufzeit von der Bohrkrone zu dem jeweiligen Geophon und damit die gewünschte Laufzeit in der Verwitterungsschicht ergibt.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist es im Gegensatz zur Verwendung von Sprengstoffen oder anderen nach der Herstellung des Bohrloches in dasselbe hinabzulassenden Schallsendern nicht erforderlich, daß das Bohrloch zunächst verrohrt oder auf andere Weise genügend standfest gemacht wird, so daß praktisch auch in allen weichen Verwitterungsschichten gebohrt und nach einem gewünschten Stück des Bohrfortschritts in einer nur für wenige Sekunden erforderlichen Pause der Bohrarbeit unter Benutzung des Bohrgerätes als Schallsender die gewünschte Laufzeitmessung durchgeführt werden kann. Damit liegt zugleich mit der Erreichung-der Endteufe das gewünschte Laufzeitdiagramm längs des Bohrloches vor. Ebenfalls kommt ein zweites Betreten oder Befahren des Bohrloches in' Wegfall, so daß die Messungen nach dem neuen Verfahren schnell und ohne größere Flurschäden abgewickelt werden können.

Die Meßapparatur weist ein z. B. auf einer Trommel aufgespanntes Magnetband auf, auf dem die Meßfrequenz aufgezeichnet ist. Diese Meßfrjequenz weist die Form eines Schwingungszuges (Sweep) auf, dessen Frequenz von Anfang zum Ende gleichmäßig ansteigt oder abfällt. Dieser Sweep wird dem Vibrator des Bohrgerätes jeweils nach Erreichung der gewünschten Tiefe der Bohrung zugeführt, so daß von der auf die Sohle des Bohrloches gedrückten Bohr-

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krone ein entsprechender Schallwellenzug in das um- dauernden Aussendung eines Meßfrequenzbandes von gebende Erdreich gesandt wird. Vorzugsweise sind z. B. 60 bis 100 Hz durch entsprechende Erregung des ein oder mehrere Geophone in der Nähe der Bohrung Vibrators 8 sendet die Bohrkrone 5 Schallwellen in aufgestellt, welche den Schallwellenzug nach dem das Erdreich, die nach dem Durchlaufen der Strecken Durchlaufen der Verwitterungsschicht aufnehmen, so 5 15,15' und 15" von auf der Erdoberfläche aufgestelldaß er auf weiteren Spuren des Magnetbandes auf- ten Geophonen 13,13' und 13" aufgenommen und gezeichnet werden kann. Das ausgesandte und das der Auswerteapparatur 12 zugeleitet werden. Danach empfangene Signal sind damit in der entsprechenden wird bis zum nächsten tiefer liegenden Meßpunkt zeitlichen Beziehung nebeneinander aufgezeichnet weitergebohrt und der Vorgang der Messung wieder- und können einem z. B. auf der gleichen Achse mit io holt, so daß der Aufbau der Verwitterungsschicht der Magnetbandtrommel angeordneten Korrelator zu- durch abschnittsweise Vergrößerung der Schallaufgeführt werden, welcher unter zeitlicher gegenseitiger wege ermittelt wird.

Verschiebung die Korrelationskoeffizienten der emp- Der in der F i g. 2 in näheren Einzelheiten dargefangenen Funktionen bildet. stellte schematische Aufbau der Auswerteapparatur

Bei der gegenseitigen zeitlichen Verschiebung wird 15 12 zeigt zunächst den zum Bohren benötigten Ander Ausgangspunkt der Laufzeitmessung durch Auto- triebskreis des Vibrators 8, welcher aus einem elekkorrelation des ausgesandten Signals mit sich selbst tronischen Frequenzgenerator 16 einstellbarer Frefestgelegt, während der Zeitpunkt des an den einzel- quenz, einem Schalter 18, einem Verstärker nebst nen Empfängern eintreffenden Signals aus der Phasenkompensator 17 und einem elektrohydrauli-Kreuzkoorelation des jeweiligen empfangenen Signals ao sehen Ventilumsetzer 33 besteht. Die in dem Genemit dem ausgesandten Signal gewonnen wird. Damit rator 16 erzeugte Schwingung kann sowohl sinussjnd die gesuchten Laufzeiten bestimmt, so daß die förmig sein als auch einen anderen Kurvenverlauf, erforderlichen Korrekturen für die eigentliche seis- z.B. sägezahnförmig, aufweisen. Nach entsprechenmische Messung durchgeführt werden können. der Verstärkung wirkt die elektrische Schwingung auf

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der 25 den Ventilumsetzer 33 ein, in dessen Ausgang die

Darstellung einer Anordnung zur Ausführung des entsprechende pulsende Veränderung der Hydrau-

Verfahrens in den Zeichnungen näher erläutert. likzuführung des Zylinders 9 erfolgt, so daß die auf

Es zeigt ■ den Vibrator 8 ausgeübten Reaktionskräfte der zuge-

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch die oberen führten elektrischen Schwingung entsprechen.

Erdschichten mit einem Bohrgerät und einer Schall- 30 Nach der Erreichung der gewünschten Teufe wird

empfängeranordnung, der Schalter 18 in die gezeichnete Stellung umgelegt

F i g. 2 eine schematische Darstellung der zur Be- und das von einem Motor 22 angetriebene Trommelstimmung der gesuchten Schallaufzeiten dienenden aggregat 20, 21 in Betrieb genommen oder wirksam Apparatur. gemacht. Auf einer von einem Magnetkopf 19 abge-

Gemäß der Darstellung nach F i g. 1 sind am Meß- 35 tasteten Spur der Magnettrommel 20 ist der zur ort die oberflächennahen Schichten 1 und 2 vor- Schallmessung bestimmte Frequenzzug, z. B. eine von handen, von denen z.B. die Schicht 1 aus Lehm und 60Hz auf 100Hz in zwei Sekunden linear ansteidie Schicht 2 aus Kies besteht. Ein Bohrloch 3 ist gende Schwingung, aufgezeichnet und wird wie vormittels eines Vibrationsbohrers 8 bis in die Schicht 2 dem die zum Bohren benutzte Frequenz auf den gebohrt worden, indem ein Gestänge 4 mit Bohr- 40 Vibrator 8 gegeben, so daß über die fest an das Erdkrone 5 mittels des Vibrationsbohrgerätes 8 in auf- reich angedrückte Bohrkrone 5 ein entsprechender und abschwingende Bewegung versetzt würde. Schallwellenzug in das Erdreich ausgesandt wird. Die

Das Vibrationsbohrgerät 8 kann in einem Klapp- von den Geophonen 13,13' und 13" aufgenommenen mast 7 durch eine nicht näher dargestellte hydrau- Schallwellen werden nach Verstärkung und Filterung lische Einrichtung gehoben oder gesenkt werden und 45 in Verstärkern 23 bis 23" über die in der dargestellten insbesondere auch in Richtung der Pfeile 11 unter Lage stehenden Schalter 24 auf Magnetköpfe 25 bis Vorlast gestellt werden. Der eigentliche Antrieb be- 25" gegeben und durch diese auf den entsprechenden steht aus einem hydraulischen Zylinder 9, in dem Spuren der Magnettrommel 20 aufgezeichnet. Da ein Kolben hin- und herschiebbar ist, mit dessen auch das ausgesandte Signal auf der Trommel 20 aufKolbenstange ein Gewicht 14 fest verbunden ist. Die 50 gezeichnet ist, liegt auch die gegenseitige zeitliche Zu-Reaktionskräfte des Gewichtes 14 werden über das Ordnung fest.

Bohrgestänge 4 zu der Bohrkrone 5 übertragen, die Zur Bestimmung der,,,einzelnen Laufzeiten wird durch auf- und abschwingende Bewegungen das Erd- eine Kreuzkorrelation vorgenommen, indem nach der reich durchstößt. Da die Schwingfrequenz und damit Aufnahme der Schalter 24 in die zweite Stellung umdie Schlagfolge'bei einem derartigen Gerät invVer- 55 gelegt wird. Über einen Schalter 26 werden nacheingleich zu anderen Schlagbohrgeräten sehr hoch sein ander die aufgenommenen Signale 25 bis 25" auf die kann, ist ein guter Bohrfortschritt erzielbar. Durch Korrelierspur 28 übernommen und mit dem auf dem das Bohrgestänge 4 und das Bohrloch läuft ein nicht ■ Korrelatorkopf 29 aufgezeichneten Sendesignal korweiter dargestellter üblicher Spülkreislauf. Der Klapp- reliert, so daß an den der gesuchten Laufzeiten entmast 7 ist am Ende eines Bohrfahrzeuges 6 angelenkt, 60 sprechenden Stellen Korrelationsimpulse gebildet werwelches die zum Betrieb der Bohranlage notwendigen den, welche z. B. über den Verstärker 31, Schalter 32 Hilfsmotoren, wie z. B. die Hydraulikpumpe 10 und auf eine der Spuren 30 bis 30" auf der Trommel 21 die Auswerteapparatur 12, trägt. übertragen werben. Nach der Durchführung der

Nach Erreichung der gewünschten Teufe wird die Messungen in einem Bohrloch befindet sich somit auf den Vibrationsbohrer 8 ausgeübte Vorlast 11 bei- 65 auf der Trommel 21 das gesamte abschnittweise Laufbehalten oder verstärkt, um einen genügenden An- zeitprofil des Bohrloches, wenn durch eine nicht weidruck der Bohrkrone 5 auf der Bohrlochsohle zu er- ter dargestellte Umschaltvorrichtung die Magnetköpfe halten. Bei der darauffolgenden nur wenige Sekunden 30 bis 30" jeweils nach jeder Messung um drei

Spurbreiten längs der Trommelachse verschoben werden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Seismisches Verfahren zur Ermittlung der Schallaufzeiten der Verwitterungszone des Erdbodens, bei welchem das Erdreich mit stufenweisem Bohrfortschritt durch eine seismische Energiequelle angeregt wird und Laufzeitmessungen unter Aufnahme des seismischen Schallwellenzuges ίο durch auf der Erdoberfläche aufgestellte Geophone vorgenommen werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) Das Erdreich wird durch die in an sich bekannter Weise als Vibrationsübertrager dienende Bohrkrone eines Bohrgerätes angeregt;

   b) die Anregung des Erdreichs erfolgt in an sich bekannter Weise durch einen sich in der Frequenz ändernden aperiodischen Schallwellenzug;

   c) der von den Geophonen aufgenommene Wellenzug wird in an sich bekannter Weise gegen den ausgesandten Wellenzug korreliert.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen