Es ist bekannt, seismische Impulse
zu erzeugen, um Aussagen über
flachgründige
geologische Formationen in Tiefenbereichen bis zu einigen hundert
Metern zu ermöglichen.
Diese Impulse werden mit auf Fahrzeugen oder Selbstfahrlafetten
montierten seismischen Anregungsquellen (Fallgewichte) oder durch
Sprengungen erzeugt. Bei seismischen Messungen in dicht bebauten
oder unwegsamen Gebieten können
diese Energiequellen jedoch oft nicht eingesetzt, werden. Dadurch
entstehen Lücken
im Anregungsnetz, die z.B. bei Reflektionsmessungen unbedingt zu
vermeiden sind. Das Anregungsnetz besteht dabei aus einer Vielzahl
von Anregungspunkten, die sich je nach den Umständen der .zu untersuchenden
Formationen z.B. in einem Abstand von 5, 10 oder auch 20 m voneinander
befinden. Als Notbehelf wird in derartigen Fällen die Anregung an jedem Anregungspunkt
nacheinander mit einem 10 kg Hammer vorgenommen, dessen Energie
jedoch zumeist, insbesondere bei ,, der Reflektionsseismik, zu gering
ist.
DE 26 21 782 C2 betrifft einen Druckimpulsgenerator
bzw. Details zum Führen
eines Druckgases. Die Impulsquelle ist Gas, welches unter sehr hohem
Druck steht, wobei derartige Vorrichtungen auch als „Airgun" bezeichnet werden.
Die Freigabe des unter hohem Druck stehenden Gases erfolgt mittels
eines elektrisch betätigbaren
Solenoidventils. Der Einsatz erfolgt in sehr tiefen, engen Bohrlöchern. Derartige
Vorrichtungen werden im Bereich der Tiefbohrtechnik und der Prospektion
eingesetzt.
Geophysics, Vol. 52, Nr. 7, July
1987, Seiten 985 – 987,
betrifft eine Schussanordnung, die mit üblicher Gewehrmunition geladen
wird. Derartige Schussanordnungen haben den Vorteil, dass sie ohne
spezielle Sprenggenehmigungen betrieben werden können. Problematisch kann allenfalls
das Beschaffen einer entsprechenden Gewehrmunition werden. Zum Einbringen
von Energie in den Untergrund wird entweder direkt auf den Boden
geschossen oder vorzugsweise ein Bohrloch in den Boden eingebracht,
in welches die Schussanordnung gesteckt wird. Zum Zünden dient
entweder ein mit Hammer betätigter
Schlagbolzen oder ein elektronischer Zündmechanismus. Da es sich um
sehr geringe Energien handelt, findet bei derartigen Anordnungen üblicherweise
kein Rückstoß statt,
der zu einem kritischen Auswurf von Lockermaterial und dergleichen aus
dem Bohrloch führt.
Ziel der Untersuchungen mit Eindringtiefen der
seismischen Wellen von wenigen Metern bis zu wenigen zehner Metern
sind dabei oberflächennahe Strukturen,
insbesondere mit Blick auf das Auffinden von Grundwasser, ehemaligen
und zwischenzeitlich verdeckten Mülldeponien und kritischen Strukturen im
Bereich von Bauland.
DE 42 07 192 C2 betrifft einen Spannmechanismus
zum Befestigen von Geophonen in einem Bohrloch. Dabei handelt es sich
um ein verrohtes Bohrloch im Bereich von tiefen Ölbohrungen bzw. Prospektionsbohrungen.
Insbesondere soll mit der Geophonanordnung parallel zu dem Bohrbetrieb
eine seismische Prospektion durchgeführt werden können. Bei
Bohrlöchern
im aktiven Zustand ist es erforderlich, dass auch beim Stillstand
des eigentlichen Bohrbetriebes die Bohrspülung kontinuierlich fließt, um ein
Absinken von Schwebstoffen auf den im Bohrloch befindlichen Bohrkopf
und damit ein Festsetzen von diesem zu vermeiden. Entsprechend handelt
es sich bei dem Spannmechanismus zum Befestigen von den Geophonen
um ein drahtartiges Gestänge mit
möglichst
wenig Oberfläche,
welche den Fluss der Spülung
von unterhalb der Spannanordnung durch diese nach oben hinaus behindern
kann. Es handelt sich somit um einen das Bohrloch nicht verschließenden Spannmechanismus.
Aus
US
4,867,266 ist eine zylindrische seismische Quelle für flache
Bohrlöcher
mit mehreren in Reihe anbringbaren Ladungen bekannt, wobei die mehreren
Ladungen nacheinander gezündet
werden sollen. Dabei haben die einzelnen Elemente der seismischen
Quelle an ihrer oberen Seite ein Innengewinde zum Einschrauben weiterer
Quellen oder eines Betätigungsgestänges. Als
Treibmittel dient ein explosives Pulver, welches gemäß einzelnen
Ausführungsformen
auch elektrisch zündbar
ist. Um einen möglichen
Auswurf von Material aus dem Bohrloch bei der Sprengung zu vermeiden
weist das Betätigungsgestänge, welches übrigens
einen Handgriff aufweist, einen Kunststoff- oder Gummiflansch auf, der
das Bohrloch großflächig überdeckt.
Dies dient insbesondere zum Verhindern möglicher Verletzungen von Personen
im Umfeld im Fall eines Auswurfs.
Aus
DE 37 37 462 A1 ist ein Stopfen für eine Gebirgsverfestigung
bekannt. Dieser Stopfen weist einen Spannmechanismus zum vorübergehenden Festlegen
in dem Bohrloch auf, wobei ein aufblähbarer Körper mit einem Kunstharz oder
dergleichen aufgefüllt
wird, so dass der aufblähbare
Körper
das Bohrloch abdichtet. Hierbei handelt es sich um eine Technologie,
wie sie im Bereich der Bergsicherung im Tunnelbau und im Bergbau
vorgenommen wird.
Aus
US 5,109,946 A ist eine seismische Energiequelle
für Bohrlöcher bekannt,
wobei die seismische Energiequelle beidseitig mit Packern umgeben ist.
Der Einsatzbereich sind wiederum verrohrte Bohrlöcher im Öl- und Gasbereich. Um eine
Beschädigung
des Bohrloches zu vermeiden, wird bei derartigen Verfahren eine
Vibrationsquelle verwendet. Derartige Vibrationsquellen senden durch
eine Vibration mit zunehmender und wieder abnehmender Frequenz seismische
Energie in den umliegenden Untergrund ein. Diese Energie ist dabei
relativ schwach, so dass ein Energieverlust durch eine Übertragung
in der Spülflüssigkeit
zu vermeiden ist. Entsprechend sind die beiden Packer zum Abdichten
des Bohrloches oberhalb bzw. unterhalb der Energiequelle vorgesehen.
Hier handelt es sich somit um eine spezielle Anordnung im Bereich
der Tiefbohrtechnik, wobei von einem flüssigkeitgefüllten Bohrloch zwingend auszugehen
ist.
Geophysics, Vol. 58, Nr. 10, October
1993, Seiten 1511 – 1516
betrifft eine vielseitig verwendbare Schussquelle für Ingenieur-
und Grundwasser-Seismik. In einem Gehäuse wird eine Schwarzpulver-Patrone
austauschbar eingesetzt. Zum Zünden
weist das Gehäuse
außerdem
einen elektrischen Zündmechanismus
auf. Zum Herablassen des Gehäuses
in ein Bohrloch, in welchem das Schwarzpulver zum Erzeugen seismischer
Wellen gezündet wird,
weist das Gehäuse
rückseitig
ein stabiles Befestigungskabel sowie zum Auslösen der Zündungen ein elektrisches Kabel
auf. Befestigungsmechanismen zum Arretieren des Gehäuses im
Bohrloch fehlen bei dieser Schussanordnung.
US
3,939,771 betrifft eine seismische Ladungsquelle, bei der
in einem vorderseitigen Gehäuseabschnitt
eine austauschbare explosive Ladung einsetzbar ist. Zum Zünden dient
ein elektrischer Zündmechanismus,
welcher mit einem Zündkabel verbunden
ist. Außerdem
sind an dem Gehäuse Spangen
zum Festklemmen des Gehäuses
derart angeordnet, dass die Spangen sich in rückwärtiger Richtung gegen eine
Bohrlochwandung spreizen. Dies verhindert einen Auswurf des Gehäuses durch einen
Rückstoß beim Zünden der
Ladung. Zum Herablassen des Gehäuses
mit der Ladung in ein Bohrloch dient ein massives Gestänge.
Es bestand daher die Aufgabe, ein
alternatives Gerät
anzugeben, mit dem die vorgenannten Lücken im Anregungsnetz in unwegsamen
oder dicht bebauten Messgebieten geschlossen werden können. Dies
ist insbesondere dort der Fall, wo keine Befahrung des Messgebietes
mit auf Fahrzeugen oder Selbstfahrlafetten montierten seismischen
Anregungsquellen möglich
ist, wo keine Reststoffe im Boden verbleiben dürfen und wo die behördliche
Genehmigung der Anregung durch kleine Sprengungen auf Schwierigkeiten
stößt. Insbesondere
soll das Gerät
neben einer Arretierung im Bohrloch auch eine Verhinderung von Auswurf
ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit dem seismischen
Impulsgerät
entsprechend dem Anspruch 1 gelöst.
Danach weist das Impulsgerät
insbesondere ein längliches,
in ein Bohrloch einführbares
Gehäuse
mit einem unteren und einem oberen Ende auf, wobei im Bereich des
unteren Endes ein elektrisch auslösbarer Energieträger auf
der Basis von Treibladungspulver sowie wenigstens eine Abströmöffnung und
im Bereich des oberen Endes eine Haltevorrichtung sowie eine elektrische
Kontakteinrichtung vorgesehen sind, wobei der Energieträger mit
der Kontakteinrichtung elektrisch leitend verbindbar ist. Dieses
Gerät ist leicht
zu handhaben und tragbar. Es wird in Bohrlöchern eingesetzt, deren Durchmesser
im Hinblick auf eine gute Ankoppelung der mittels des Energieträgers erzeugten
Druckwelle bevorzugt nur wenig größer ist als der Außendurchmesser
des Impulsgerätes,
das zumindest im Bereich des unteren Gehäuseendes zylindrisch ist. Die
Bohrlochtiefe ist abhängig
von den Bedingungen der zu untersuchenden Formationen an den Ausgangspunkten.
Bevorzugt wird eine Tiefe von 0,3 bis 1 m, insbesondere 0,5 bis 0,7
m.
Der Energieträger ist keine Sprengladung mehr,
sondern eine Ladung aus Treibladungspulver. Dessen Abbrand erzeugt
Druckgas, mit dem die gewünschte
Druckwelle zur Anregung erzeugt wird. Die elektrische Auslösung des
Energieträgers
(Treibkartusche) ist nur mittels, einer Zündmaschine möglich. Zeitgleich
mit der Auslösung
des Energieträgers
wird das Meßerfassungsgerät für die aufzunehmenden Schwingungen
gestartet. Dies erfolgt durch eine Kabelverbindung zwischen dem
Impulsgerät
bzw. der Zündmaschine
und dem Meßerfassungsgerät. Statt einer
Kabelverbindung kann auch eine Funkübertragung vorgesehen werden.
Damit ist eine exakte Reproduzierbarkeit des Zündzeitpunktes bei Folgeschüssen an
den verschiedenen Anregungspunkten möglich. Die Streuung ist kleiner
als 1 ms, so daß bei der
Stapelung von seismischen Signalen der verschiedenen Anregungspunkte
eine einwandfreie Auswertung möglich
ist.
Mit diesem seismischen Impulsgerät ist es möglich, die
vorgenannten Lücken
im Anregungsnetz zu schließen
und den geforderten Umwelt-, Sicherheits- und Genauigkeitsaspekten,
Rechnung zu tragen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der
Erfindung ist entsprechend Anspruch 2 vorgesehen, den unteren Bereich
des Gehäuses
als mit dessen übrigen Teil
verbindbares Endrohr auszubilden, das ein Kartuschenlager für die Aufnahme
des Energieträgers, eine
Düse und
einen Expansionsraum mit der Abströmöffnung für das Druckgas aufweist. Dieses
Endrohr mit integriertem Kartuschenlager und Düse stellt eine separate Baueinheit
dar, die im Bedarfsfalle in einfacher Weise gegen eine neue austauschbar
ist. Die axial gerichtete Düse
verbindet das Kartuschenlager mit dem Expanisonsraum, in dem sich
die Druckwelle ausbildet.
Eine besonders vorteilhafte elektrische
Verbindung zur Auslösung
des Energieträgers
ist entsprechend. Anspruch 3 dadurch möglich, daß das Endrohr zusammen mit
einem mit ihm verbindbaren elektrischen Verschlußkopf einen Gasgenerator bildet,
wobei der Verschlußkopf
mit dem übrigen
Teil des Impulsgerätes
verbunden ist und eine Kontaktierung zur elektrisch leitenden Verbindung
des Energieträgers
mit der Kontakteinrichtung am oberen Ende des Gehäuses aufweist.
Die Verbindung zwischen dem Endrohr und dem Verschlußkopf ist
lösbar,
um die Treibkartusche in das Kartuschenlager einführen bzw.
nach deren Zündung
die Reste der Kartusche aus dem Lager entfernen zu können. Die Verbindung
kann grundsätzlich
nach Art eines Bajonettverschlusses ausgebildet sein. Im Hinblick
auf die Verschmutzung bei der Benutzung im Gelände und der Handhabung mit
Handschuhen wird jedoch statt dessen vorzugsweise eine Schraubverbindung mit
einem groben Gewinde und nur wenigen Umdrehungen vorgesehen. Damit
ist auch unter ungünstigen
Umständen
eine einfache Handhabung des Impulsgerätes bei den Folgeschüssen möglich.
Die Abströmöffnung für das Druckgas kann grundsätzlich am
stirnseitigen Ende des unteren Bereiches des Gehäuses des Impulsgerätes vorgesehen
werden. Bevorzugt wird jedoch eine radiale Anordnung der wenigstens
einen Abströmöffnung,
um eine radiale Gasführung
zu erreichen und dadurch eine axiale Bewegung des Gerätes im Bohrloch
zu verhindern. Entsprechend Anspruch 4 sind zwei oder mehr radiale
Abströmöffnungen
vorgesehen, die gleichmäßig über den
Umfang des Endrohres verteilt sind. Wie bereits vorstehend angegeben,
erzeugt der Gasgenerator durch den Abbrand von Treibladungspulver
Druckgas. Dabei ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Konfiguration
von Energieträger, Kartuschenlager
und Expansionsraum so festgelegt, daß ein Gasdruck in der Größenordnung
von etwa 2000 bar erzeugt wird. Die hochgespannten Gase strömen aus
dem Expansionsraum über
die vorzugsweise vier radialen Abströmöffnungen
direkt auf die umgebende Bohrlochwand. Dieser Vorgang ist nach ca.
0,3 ms abgeschlossen. Diese kurzzeitige Expansion erzeugt die gewünschte
Druckwelle zur seismischen Anregung.
Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen,
das Gehäuse
mit einem zentralen Aufnahmerohr zu versehen, das den Gasgenerator.
mit der Haltevorrichtung am oberen Gehäuseende verbindet und durch
das die elektrischen Zuleitungen vom Verschlußkopf zur Kontakteinrichtung
an der Haltevorrichtung geführt sind.
Die elektrischen Zuleitungen sind je mit einer Isolierung versehen,
um einen Kontakt untereinander und/oder mit dem metallischen Aufnahmerohr
zu vermeiden. Das Aufnahmerohr kann dabei direkt mit dem Verschlußkopf verbunden
sein oder indirekt über
ein Adapterrohr, das mit dem Verschlußkopf mit Hilfe von z.B. drei
Gewindestiften fest verbunden und in das das Aufnahmerohr mit seinem
unteren Ende eingeschraubt ist.
In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung
der Erfindung ist gemäß Anspruch
6 vorgesehen, auf das Aufnahmerohr eine Hülse (Manschette) aus elastisch verformbarem
Material aufzuschieben, die mittels eines auf dem Aufnahmerohr durch
Verdrehen axial verschiebbaren Handrades stauchbar und damit in radialer
Richtung zur Arretierung des Impulsgerätes im Bohrloch aufweitbar
ist. Der Außendurchmesser der
Hülse irn
entspannten Zustand ist gleich oder geringfügig größer als der Außendurchmesser
des Endrohres bzw. des Gasgenerators. Dementsprechend ist der Außendurchmesser
des Aufnahmerohres kleiner, so daß die Hülse eine hinreichende Wanddicke aufweist,
um einwandfrei gestaucht und damit an die Bohrlochwand angedrückt werden
zu können.
Die Manschette ist bevorzugt aus Gummi, kann aber auch aus einem
anderen elastischen Material sein. Auf diese Weise wird nicht nur
eine Arretierung des Gerätes
im Bohrloch erreicht, sondern zusätzlich eine Verringerung bzw.
Unterdrückung
des Luftschalls (Schallemission an die Oberfläche) erreicht, der ansonsten
von den Geophonen aufgenommen und bei vielen Seismogrammen, besonders
bei der Bearbeitung flachgründiger
Objekte, stören
würde. Ein
weiterer Vorteil dieser integrierten stauchbaren Hülse ist,
daß durch
die Abdichtung des Bohrloches eine noch bessere Ankoppelung für die Energieübertragung
erreicht wird, so daß eine
geringere Menge an Treibladungspulver für den gleichen Effekt ausreichend
ist.
Die axiale Verschiebung des Handrades
in Relation zum Aufnahmerohr wird in bekannter Weise dadurch erreicht,
daß im
Bereich des oberen Endes des Aufnahmerohres ein Schraubgewinde vorgesehen
ist, das mit einem entsprechenden Gegengewinde im Handrad zusammenwirkt.
Um diese Wirkung mit der aufweitbaren Hülse auch bei nicht so tiefen Bohrlöchern zu
erreichen und die Ankoppelung für die
Energieübertragung
noch weiter zu verbessern, erweist es sich als vorteilhaft; gemäß Anspruch
7 die Hülse
möglichst
tief, d.h. nahe dem Verschlußkopf bzw.
Gasgenerator anzuordnen. Dabei ist dann weiterhin vorgesehen, zwischen
der Hülse
und dem Handrad ein Distanzrohr mit je einer Druckscheibe an den
beiden Enden anzuordnen, so daß sich
das Handrad nahe der Halteeinrichtung am oberen Ende des Impulsgerätes befindet.
Nach Anspruch 8 weisen die Druckscheiben eine zentrale Öffnung auf,
so daß das
Distanzrohr koaxial zum Aufnahmerohr ' angeordnet und relativ zu diesem mit
Hilfe des verdrehbaren Handrades axial verschiebbar ist.
Im Hinblick auf die erleichterte
Austauschbarkeit der Hülse
bzw. Manschette ist es gemäß Anspruch
9 vorteilhaft, die Haltevorrichtung mit integrierter elektrischer
Kontaktein richtung und das obere Ende des Aufnahmerohres so auszubilden,
daß die
Haltevorrichtung einfach auf das Aufnahmerohr aufsteckbar und z.B.
mittels radialer Gewindestifte an diesem befestigbar bzw. umgekehrt
lösbar
und herabnehmbar ist. Die Kontakteinrichtung ist dabei vorteilhafterweise
so ausgebildet, daß sie
zwei federbelastete Kontaktbolzen aufweist, die im aufgesteckten Zustand
der Haltevorrichtung automatisch an den Gegenkontakten der beiden
elektrischen Zuleitungen vom Verschlußkopf zur Anlage kommen.
Das seismische Impulsgerät gemäß l weist das langgestreckte
im wesentlichen zylindrische Gehäuse 1 auf,
das aus einzelnen Komponenten zusammengesetzt ist. Dabei handelt
es sich insbesondere um das hohlzylindrische Endrohr 2,
den elektrischen Verschlußkopf 3,
das Adapterrohr 4, das Aufnahmerohr 5, die Hülse 6,
das Distanzrohr 7, das Handrad 8 und die Haltevorrichtung 9.
Das Endrohr 2 weist den Einsatzkörper 10 auf, der mit
seinem oberen Ende 10' aus
dem Endrohr 2 herausragt und in diesem Bereich mit einem
groben Schraubgewinde mit maximal vier Windungen versehen ist.,
Der Verschlußkopf 3 weist
in seinem unteren Bereich eine dem Ansatz 10' korrespondierende Ausnehmung 11 auf,
die mit einem korrespondierenden groben Innengewinde versehen ist,
so daß das
Endrohr 2 mit dem Verschlußkopf 3 von Hand durch
Verschrauben verbunden und auch wieder getrennt werden kann. Im getrennten
Zustand wird in das Kartuschenlager 12 der als Treibkartusche
ausgebildete Energieträger 13 (in
der Ansicht gezeigt) eingeführt.
Anschließend
daran wird das Endstück 2 mit
dem Verschlußkopf 3 verschraubt
und die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Energieträger 13 und
der nur schematisch angedeuteten Kontaktierung 14 im Verschlußkopf 3 hergestellt.
Einzelheiten der Kontaktierung 14 sind in der 2 gezeigt.
Dieses Impulsgerät weist in der Praxis z.B. eine
Länge von
ca. 1,3 m, einen Außendurchmesser von
ca. 50 mm und ein Gewicht von ca . 10 kg auf . Das Gerät ist für die rauhe
und schmutzige Handhabung in den Meßgebieten robust ausgeführt. Die
einzelnen metallischen Teile sind möglichst rostfrei, z.B. rostfreier
Stahl, ausgeführt
bzw. mit einem entsprechenden Oberflächenschutz, beispielsweise
durch galvanische Oberflächenbeschichtung,
versehen. Es zeichnet sich insbesondere durch seine robuste Ausführung für den Geländebetrieb,
das geringe Transportgewicht, die einfache Handhabung, die leichte Zerlegbarkeit
für die
Reinigung, den geringen logistischen und genehmigungsrechtlichen
Aufwand bei Beschaffung, Transport und Betrieb, die gute Umweltverträglichkeit
(im Boden verbleiben keine Rückstände) und
die elektrische Auslösung
(Funktionskontrolle des Energieträgers vor der Auslösung und Triggerung
des Auslösesignals
bei Zündung)
aus.
Das vorbereitete Bohrloch soll in
diesem Fall einen Durchmesser von 55 bis 60 mm aufweisen und zwischen
0, 3 und 1 m tief sein. Nach Einführen des Energieträgers 13 in
das Endrohr 2 wird, dieses bis zum festen Andruck in den
Verschlußkopf 3 eingeschraubt.
Das Impulsgerät
wird danach in das vorgefertigte Bohrloch eingeführt. Der sogenannte Packer, im
wesentlichen bestehend aus dem als "Anschlag" wixkenden Adapterrohr 4, dem
Aufnahmerohr 5, der Hülse 6,
dem Distanzrohr 7 und dem Handrad 8, wird dann
betätigt,
indem das Handrad 8 im Uhrzeigersinn gedreht und dadurch
die Gummihülse 6 zwischen dem
Adapterrohr 4 und dem Distanzrohr 7 gespannt wird.
Die Gummihülse 6 hat
in diesem Fall im ungespannten Zustand einen Außendurchmesser von 52 mm, einen
Innendurchmesser von 22 mm und eine Länge von 150 mm. Damit kann
ein Bohrloch bis zu einem Durchmesser von ca. 6S mm sicher abgedichtet
werden. Durch Hebeversuche wird überprüft, ob das
Impulsgerät
im Bohrloch fest arretiert ist. Die Funktionsbereitschaft kann durch
Messen des Widerstandes mit einem bekannte Zündkreisprüfgerät festgestellt werden. Durch
Kontaktierung mit der Zündmaschine
wird die Funktionsbereitschaft hergestellt..