DE19508574C2 - Verfahren und Einrichtung zur seismischen Erkundung des oberflächennahen Untergrundes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur seismischen Erkundung des oberflächennahen Untergrund es nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Während für seismische Messungen im allgemeinen häufig eine Anregung seismischer Wellen durch Sprengseismik erfolgt, werden für flachseismische Messungen wegen der geringen Betriebskosten vorzugsweise sprengstofflose Verfahren eingesetzt. Hierzu zählen z. B. Vibrationsverfahren.

Häufig macht es jedoch große Schwierigkeiten, durch sprengstofflose Verfahren Signale mit großer Band breite im hochfrequenten Bereich oberhalb von 100 Hz zu registrieren. Die Reproduzierbarkeit des Signals reicht auch häufig nicht aus, diese Nachteile wenigstens durch vertikale Stapelung auszugleichen. Es hat sich gezeigt, daß Bandbreite und Reproduzierbarkeit nicht nur durch die Art der Krafterzeugung bestimmt sind, sondern auch durch die Art, mit der die Quelle an den Untergrund angekoppelt wird. Verfahren der Energieerzeugung und Ankopplung, wie sie von Miller et al "Field comparison of shallow seismic sources near Chino, California" in der Zeitschrift Geophysics, Band 57, Nr. 5, Seiten 693-709 beschrieben sind, erzeugen zwar breitbandige Signale, jedoch ist deren Energie oberhalb von 100 Hz sehr gering.

Im Bereich unmittelbar unter der Oberfläche zeigt sich außerdem, daß eine geeignete Ankopplung der Quelle an den Untergrund aufgrund der Verwitterungsschicht nur schwer erreichbar ist. Es wurde daher auch vorgeschlagen, seismische Quellen in ein vorher erstelltes Bohrloch hinabzulassen. Als Quellen wurden bereits vorgeschlagen: Wirbelstromanregung, Funkenentladung in Salzwasser, zylindrische Biegeschwinger, elektrisch gezündete Vielfachladungen. In jedem Fall war eine geeignete Bohrung erforderlich, um die Quelle auf die erforderliche Tiefe bringen zu können und dort an den Untergrund anzukoppeln.

Ein weiterer Nachteil des zuvor genannten Verfahrens liegt darin, daß vor dem Einführen einer seismischen Quelle in ein Bohrloch zunächst das Bohrgestänge zu ziehen ist. Die Folge ist, daß in der Praxis aufgrund des Zeit- und Kostenaufwandes die Messungen nur in relativ großen Tiefenabständen vorgenommen werden.

Bei einer aus der EP 518 427 A1 bekannten Einrichtung weist der Bohrmeißel in einer äußeren Ausnehmung einen durch ein Diaphragma abgeschlossenen, aufblasbaren Bereich auf, der Wasser, Elektroden und Zündmittel enthält, so daß bei elektrischer Anregung das Wasser zu einer gasförmigen Wasserstoff/Sauerstoff-Mischung elekrolysiert wird und dadurch eine seismische Wellenfront erzeugt wird, indem sich der Bereich aufbläst.

Diese Anordnung benötigt Wasser zur Erzeugung von seismischen Impulsen, da andernfalls keine Elektrolysierung möglich ist. Keinesfalls darf vor dem Diaphragma ein Hohlraum vorhanden sein, da sonst eine Zerstörung des Diaphragmas erfolgt. Die Einrichtung erfordert daher als Umgebung Schlamm oder Spülung, in die der Impuls übertragen werden kann.

Der Einsatzbereich dieser Einrichtung ist daher beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine Einrichtung zur seismischen Erkundung des oberflächennahen Untergrundes anzugeben, bei denen eine seismische Impulsquelle in einem Bohrloch zur seismischen Anregung des Untergrundes unmittelbar an die Bohrlochwand ankoppelbar ist, der Aufwand zur Durchführung einer Messung erheblich verringert ist und eine verbesserte Ankopplung der Impulsquelle an den Untergrund möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 5 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß die als Funkenentladungsstrecke ausgebildete Impulsquelle während des Bohrstillstandes mit einer Hochspannungsquelle verbunden und elektrisch betrieben wird, wobei die Funkenentladung zwischen der bis zur Außenseite des Bohrmeißels bzw. Kernrohrs geführten Elektrode und der durch den Bohrmeißel bzw. das Kernrohr gebildeten Gegenelektrode während des Andrückens an die Bohrlochwand erfolgt. Dies hat einerseits den Vorteil, daß das Bohrgestänge während der seismischen Messung im Bohrloch verbleiben kann und andererseits ein direkter Kontakt der Impulsquelle mit dem umgebenden Untergrund, d. h. dem Unverritzten erreichbar ist, so daß sich eine sehr hochfrequente Anregung des Untergrundes erreichen läßt, welches die erzielbare Auflösung erheblich verbessert.

Vorzugsweise erfolgt die Anregung des Untergrundes während des Bohrfortschritts in verschiedenen Teufen, die in enger Folge aufeinander folgen können.

Die Bohrung wird insbesondere als Trockenbohrung durchgeführt, wobei der Bohrmeißel das Gebirge drehend oder schlagend durchteuft.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Detail insbesondere in der Weise durchgeführt, daß während des Bohrstillstandes ein Kupplungskabel in das Bohrlochgestänge eingeführt wird, das sich mit einem elektrischen Kontakt an der Rückseite des Bohrmeißels selbsttätig verbindet. Mittels einer Hochspannungsquelle kann dann eine elektrische Impulsanregung an die Impulsquelle übertragen werden, die in unmittelbarem Kontakt mit der umgebenden Bohrlochwand steht. Nach Durchführung der Messung wird das Kupplungskabel wieder gezogen und die Bohrung kann fortgesetzt werden.

Die Impulsquelle ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung Teil des Bohrmeißels und in den Meißelkörper eingesetzt. Sie ist zu ihrer Anregung elektrisch mit einer obertägigen Hochspannungsquelle verbindbar.

Die Impulsquelle ist insbesondere in einen Stopfen des Meißelkörpers aus Polyamidmaterial eingesetzt und bildet eine Entladungsstrecke für den Hochspannungsimpuls.

Ein von der Impulsquelle erzeugter Druckstoß wird unmittelbar an den umgebenden Untergrund übertragen, da die Stelle, an der sich die Impulsquelle befindet, unter sehr hohem Druck am Gestein anliegt. Dieser innige Kontakt wird insbesondere durch die Formgebung des Meißels und durch die auf dem Meißel stehende Vorlast erreicht. Daher können sehr steile Druckstöße auf das Gestein übertragen werden. Die Hochspannungsquelle kann so ausgelegt sein, daß die Abgabe seismischer Impulse im Abstand von einigen Sekunden möglich wird. Die Reproduzierbarkeit des Signals kann besser als +/- 10 µs sein, so daß Frequenzanteile bis weit über 1 kHz sauber gestapelt werden können.

Das Verfahren läßt sich ohne weiteres bis zu einer Bohrteufe von ca. 100 m einsetzen und eignet sich daher insbesondere für Bohrungen ohne Spülung, wie sie in vielen Gebieten als Flachbohrungen u. a. für die Wassersuche abgeteuft werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Anschlußschema einer Impulsquelle,

Fig. 2 eine teilgeschnittene Ansicht eines Bohrgestängeendes, und

Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Bohrmeißel mit abgesetztem Bohrgestänge.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Impulsquelle verwendet, die Bestandteil des Bohrmeißels ist. Zur Anregung der Impulsquelle wird ein starker, kurzer Stromstoß von weniger als 1 µs Anstiegszeit über ein Hochspannungskabel in die Quelle eingespeist. Damit wird ein Druckstoß erzeugt, der dem Strom durch die Quelle direkt proportional ist. Da keine beweglichen Teile verwendet werden, lassen sich ohne Probleme Standzeiten der Impulsquelle von 5000 Schuß erreichen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können verschiedene seismische - Meßverfahren durchgeführt werden. Dazu zählen:

• 1. Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und Dämpfung der durchbohrten Schichten,
• 2. Refraktionsmessungen bei unterschiedlicher Teufe der Impulsquelle nach dem störende Grenzflächen (z. B. mit negativem Impedanzgradienten im Hangenden) durchteuft werden,
• 3. Reflexionsmessungen im Steilwinkelbereich zur Kontrolle der Annäherung des Meißels an eine Grenzfläche,
• 4. Tomographische Messungen zwischen mehrere Bohrungen oder zwischen einer Bohrung und Aufnehmern an der Erdoberfläche (z. B. zur Ortung von Anomalien in der Umgebung einer Bohrung),
• 5. Bestimmung von Schichtgeschwindigkeiten aus Bohrungen in x-, y- und z- Richtung zur Ermittlung von Schichtanisotropien,
• 6. Langzeitmessungen bei stationärer Quelle und wechselnden Umweltbedingungen.

Aufgrund der starren Verbindung zwischen Impulsquelle und Bohrgestänge ist eine genaue Bestimmung der Tiefe der seismischen Quelle möglich. Außer dem Einsatz eines speziellen Bohrmeißels sind keine Veränderungen an einer üblichen Bohrausrüstung notwendig. Das Hochspannungskabel läßt sich mittels einer selbsttätigen Kupplung durch das Bohrgestänge einführen und automatisch an die Impulsquelle anschließen.

Zur Durchführung des Verfahrens wird ein erfindungsgemäß ausgestalteter Bohrmeißel 1 mit dem Gestänge 2 einer üblichen, z. B. an einem Bohrfahrzeug befestigten Bohranlage verbunden. Die Bohrung wird dann auf übliche Weise niedergebracht. Bei Erreichen gewünschter Teufen wird der Bohrstrang stillgesetzt, wobei der Kontakt des Bohrmeißels mit dem umgebenden Gebirge erhalten bleibt. Dann wird ein Kupplungskabel 3 durch das Bohrgestänge niedergelassen. Es kuppelt mittels der Kupplung 4 selbsttätig an einen entsprechenden Kontakt im Bohrmeißel 1 an. Nun kann ein elektrischer Stromstoß über das Kabel an die Impulsquelle im Bohrmeißel übertragen werden. Nach Beendigung der Messung wird das Kupplungskabel 3 wieder gezogen und es kann die Bohrung bis zur nächsten Meßstelle fortgesetzt werden.

In praktischen Messungen zeigt es sich, daß im geringen Abstand von der Quelle zuverlässige seismische Signale registriert werden können. Die Energie der Quelle ist stark genug, um ein Refraktionssignal aus mehreren Dekametern Teufe zu registrieren. Die Spektralanteile dieses Signals reichen bis weit über 500 Hz noch mit 20 dB über den Störpegel hinaus. Die Zeitgenauigkeit des Druckstoßes kann nach Mikrosekunden gemessen werden, so daß eine vertikale Stapelung ohne spektrale Verluste vorgenommen werden kann. Die Reproduzierbarkeit von aufeinanderfolgenden Schüssen liegt in der Größenordnung von einigen Dezibel. Das Verfahren erlaubt es, auf einfache Weise die Feinschichtung quartärer Sedimente im oberflächennahen Bereich aufzulösen, welches durch Messungen mittels gesondert in das Bohrloch einzufahrender Meßaufnehmer nicht ohne weiteres möglich ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Anschlußschema zeigt ein in den Untergrund 12 niedergebrachtes Bohrgestänge 2, an dessen vorderem Ende über eine Kupplung 4 ein Bohrmeißel 1 angeschraubt ist. Durch das Bohrgestänge 2 führt das Kupplungskabel 3, das mit einem Anschluß des Bohrmeißels 1 lösbar verbunden ist. Obertägig führt das Kupplungskabel 3 zu einer Obertagekupplung 5, die Verbindung herstellt mit dem Obertagekabel 9, das mit einem Anschlußgehäuse 6 in Verbindung steht. Es ist eine Triggerbox 8 vorgesehen, von der ein Steuersignal über das Steuerkabel 11 zum Anschlußgehäuse 6 geführt ist. Die Triggerbox 8 erlaubt die zeitgerechte Auslösung des Triggerimpulses, der von einem Hochspannungsimpulsgenerator 7 erzeugt wird und über das Anschlußkabel 10 zum Anschlußgehäuse 6 geführt ist.

Der Impulsgenerator erzeugt eine Gleichspannung von mehreren Kilovolt, z. B. 4-8 Kilovolt. Mit dieser Spannung werden Hochspannungskondensatoren geladen, die z. B. eine Energie von 500 Wattsekunden speichern. Diese Energie wird über eine Funkenstrecke an die als Entladungsstrecke ausgebildete Impulsquelle übertragen. Die Zündung der Funkenstrecke kann entweder einzeln von Hand erfolgen, oder sie kann automatisch in einem Takt von wenigen Sekunden durchgeführt werden. Der Hochspannungsgenerator kann beispielsweise in der Fahrerkabine des Bohrgerätes oder im Meßwagen zusammen mit der übrigen seismischen Aufzeichnungsappartur aufgestellt werden.

Fig. 2 zeigt eine Übersichtsansicht des Endes des Bohrlochgestänges mit angesetztem Bohrmeißel 1. In der Schnittdarstellung ist das Kupplungskabel 3 erkennbar, das am Ende eine Kupplung 4 trägt, die mit dem Kontakt 13 verbindbar ist, der an der Rückseite des Bohrmeißels 1 angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht des Bohrgestänges 2 und abgesetztem Bohrmeißel 1. Bohrgestänge 2 und Bohrmeißel sind über ein Gewinde miteinander verschraubbar und bleiben sowohl während des Bohrens als auch während einer Messung miteinander verbunden.

Das während der Bohrung gezogene Kupplungskabel 3 enthält am Vorderende ein Gehäuse 20, in dem ein Kupplungskontakt 19 angeordnet ist. Dieser verbindet sich bei Niederbringen des Kupplungskabels 3 mit dem Kontakt 13 an der Rückseite des Bohrmeißels 1. Das Gehäuse 20 enthält auch den zweiten Kontakt 21 des Kabels 3 und stellt eine Verbindung zur äußeren Elektrode der Impulsquelle her. Die Kontakte des Kupplungskabels 3 sind insbesondere als Steckmuffen mit federnden Kontaktzungen ausgebildet, wobei das Aufstecken auf die gegenüberliegenden Kontakte allein durch Schwerkraft erfolgt.

Das Kupplungskabel weist eine Impedanz von etwa 50 Ω auf und ist für bis zu einer Leistung von 8 kW im Dauerbetrieb geeignet. Sein Gleichstromwiderstand beträgt 10 Ω pro km. Dadurch können Kabellängen bis etwa 100 m erreicht werden.

Der Bohrmeißel 1 weist eine mit einer Vergußmasse 17 aufgefüllte zentrale Bohrung auf, in der ein die Elektrode 15 bilden der Leiter zentral geführt ist. Die Elektrode 15 führt bis auf eine seitliche Außenfläche des Bohrmeißels 1. Das der Außenseite des Bohrmeißels 1 zugewandte äußere Ende der Elektrodendurchführung wird durch einen Stopfen 16 gebildet, der insbesondere aus Polyamid oder einem Material ähnlicher Eigenschaften besteht. Zur Verringerung des Verschleißes kann vorgesehen sein, den Stopfen 16 etwas von der Außenfläche zurückgezogen anzuordnen, solange der Kontakt mit dem in diesen Tiefen vorherrschenden Lockergestein hergestellt bleibt. Auch der dem Kontakt 13 zugeordnete Bereich der zentralen Bohrung des Bohrmeißels 1 ist durch einen Stopfen 18 gebildet, der sich nach hinten konisch verjüngt, um eine Zentrierung der Kupplung 4 des Kupplungskabels 3 zu erleichtern. Die Impulsquelle wird damit durch eine Funkenstrecke zwischen Elektrode 15 und umgebender Bohrmeißel 1 gebildet. Die bei der Entladung entstehenden örtlich sehr hohen Druckspitzen werden durch den Stopfen 16 elastisch abgefangen. Dieser Stopfen ist gleichzeitig geeignet, die durch die hohe Stromdichte am Fußpunkt der Entladung entstehende Wärme auszuhalten, ohne seine elastischen Eigenschaften einzubüßen. Die Wärme wird im wesentlichen über die Elektrode 15 an den Kupplungskontakt 13 abgeführt. Von dort wird sie überwiegend über die Kupplung 4 abgeführt, die nach jeder Messung gezogen und an die Erdoberfläche gebracht wird.

Prinzipiell ist es auch möglich, den Hochspannungsgenerator unmittelbar am unteren Ende des Bohrgestänges anzuordnen, welches allerdings erhöhten Aufwand für die den Generator aufnehmende Kupplung bedeutet. Es ist außerdem prinzipiell möglich, die Impulsquelle permanent mit einer Hochspannungsquelle über eine elektrische Drehkupplung zu verbinden. Für den Fall des ausschließlich schlagen den Bohrens kann die Drehkupplung aber entfallen. Eine derartige Anordnung kann auch mit einem Kernrohr verbunden werden, so daß gleichzeitig Bodenproben genommen werden können.

Bezugszeichenliste

1 Bohrmeißel
2 Bohrgestänge
3 Kupplungskabel
4 Kupplung
5 Obertagekupplung
6 Anschlußgehäuse
7 Impulsgenerator
8 Triggerbox
9 Obertagekabel
10 Anschlußkabel
11 Steuerkabel
12 Untergrund
13 Kontakt
14 Impulsquelle
15 Elektrode
16 Elektrodenstopfen
17 Vergußmasse
18 Kontaktstopfen
19 Kupplungskontakt
20 Gehäuse
21 Kontakt

Claims (8)

1. Verfahren zur seismischen Erkundung des oberflächennahen Untergrundes (12), bei dem eine eine Elektrode und eine Gegenelektrode enthaltende seismische Impulsquelle (14) als Teil eines Bohrmeißels (1) bzw. Kernrohres in einem Bohrloch zur seismischen Anregung des Untergrundes an die Bohrlochwand angekoppelt wird, dadurch gekennzeichnete daß die als Funkenentladungsstrecke ausgebildete Impulsquelle (14) während des Bohrstillstandes mit einer Hochspannungsquelle (7) verbunden und derart betätigt wird, daß die Funkenentladung zwischen der bis zur Außenseite des Bohrmeißels bzw. Kernrohres geführten Elektrode der Funkenentladungsstrecke und dem deren Gegenelektrode bildenden Bohrmeißel bzw. Kernrohr während des Andrückens des Bohrmeißels bzw. Kernrohres an die Bohrlochwand erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung des Untergrundes während des Bohrvorschritts in verschiedenen Teufen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Durchführung bei einer Bohrung, die als Trockenbohrung drehend oder schlagend durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der Funkenentladungsstrecke mit der Hochspannungsquelle (7) während des Bohrstillstandes durch Niederlassen eines Kupplungskabels (3) durch das Bohrlochgestänge (2) erfolgt und das Kupplungskabel (3) nach der Anregung der Funkenentladungsstrecke vor Wiederaufnahme der Bohrung aus dem Bohrlochgestänge (2) gezogen wird.

5. Einrichtung zur seismischen Erkundung des oberflächennahen Untergrundes mit einer einen Teil eines Bohrmeißels (1) bzw. Kernrohres bildenden, eine Elektrode und eine Gegenelektrode enthaltenden seismischen Impulsquelle (14), die in einem Bohrloch an die Bohrlochwand ankoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die als Funkenentladungsstrecke ausgebildete Impulsquelle (14) mit einer entfernten Hochspannungsquelle (7) verbindbar ist, daß die Elektrode der Funkenentladungsstrecke bis zur Außenseite des Bohrmeißels bzw. Kernrohres geführt ist, wobei die Elektrode (15) durch einen Isolator gegen den umgebenden, die Gegenelektrode bildenden Bohrkörper isolierend abgetrennt ist, und daß die Funkenentladungsstrecke während des Andrückens des Bohrmeißels bzw. des Kernrohres an die Bohrlochwand betätigbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, bei der der Bohrmeißel zur Erstellung einer Bohrung an einem rohrförmigen Bohrlochgestänge (2) angesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenentladungsstrecke mit einem im rückwärtigen Teil des Bohrmeißels (1) angeordneten elektrischen Kontakt (13) verbunden ist, der mit einem Anschluß eines in das Bohrgestänge (2) eingeführten Kupplungskabels (3) verbindbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungskabel (3) eine vorderseitige Kontaktbuchse (19) aufweist., die bei Erreichen des elektrischen Kontaktes (13) des Bohrmeißels eine elektrische Verbindung damit herstellt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator aus Polyamid gebildet ist.