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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung zur
Erzeugung eines seismischen Signals und ein Verfahren zur Verwendung einer
solchen Vorrichtung bei der Durchführung von seismischen Untersuchungen
unterirdischer Schichten und insbesondere eine Vorrichtung und ein
Verfahren, bei der bzw. dem ein Treibmittel eingesetzt wird, um
wiederholbare, verläßliche seismische Quellen
aus einem Abwärtsbohrloch
in einem unterirdischen Schacht- oder Bohrloch zu erzeugen.
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Seismische
Daten, die durch Aufzeichnungsgeräte aufgezeichnet werden, die
in einem Feld an der Erdoberfläche
oder auf dem Meeresboden plaziert sind, werden immer häufiger dazu
verwendet, Untergrundstrukturen zu evaluieren und zu kartographieren,
um Öl,
Gas- und/oder Mineralreserven zu erforschen und zu nutzen. Stoßvorrichtungen
wie vibrierende Quellen, Gasdruckquellen und Fallgewichtsvorrichtungen
wurden herkömmlicherweise
an der Erdoberfläche
als eine seismische Quelle verwendet, um Scher- und Kompressionswellen
in einer unterirdischen Schicht zu erzeugen. Oft ist es wünschenswert,
eine seismische Quelle an einem Abwärtsbohrloch in der Nähe der jeweiligen
unterirdischen Schicht(en) zu plazieren, die von Interesse ist/sind.
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Hierzu
offenbart die
DE 41
30 695 A1 eine verfahrbare Bohrlochsonde für eine periodisch
wiederholbare Erzeugung von seismischen Impulsen, wobei die an einem
Halte- und Übertragungskabel hängende Bohrlochsonde
ein Anschlußteil
zur Verbindung mit dem Kabelkopf, einen schlag- und druckfesten
Rohrkörper
zur Aufnahme von Schaltmodulen und Leitungen sowie einen Zünderträger für Spezialzünder umfaßt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht in der Praxis ein Bedarf an
einer seismischen Quelle, die sich in einem unterirdischen Bohrloch
befindet, und die verläßlich ist
und wiederholbare, Kompressions- und/oder Scherwellen mit breiter
Bandbreite erzeugt, und dabei minimalen Schaden am Bohrloch anrichtet.
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Somit
besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines seismischen Signals und ein Verfahren zur Verwendung einer
solchen Vorrichtung bei der Durchführung seismischer Erforschung
unterirdischer Schichten bereitzustellen, die wiederholbare, verläßliche unterirdische seismische
Quellen in einem unterirdischen Schacht- oder Bohrloch erzeugen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung
einer Vorrichtung, die feste Treibmittel zur Erzeugung eines seismischen Signals
in einem unterirdischen Schacht- oder Bohrloch erzeugt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Vorrichtung zur Erzeugung seismischer Signale unter Verwendung
eines Treibmittels, wobei die Dimensionen des festen Treibmittels
variiert werden können,
um Kompressions- und/oder Scherwellen mit unterschiedlicher Amplitude
und/oder Frequenz zu erzeugen.
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Eine
nochmals andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
von Druckmeßgeräten für den Einsatz
im Bohrloch, um Druckdaten mit seismischen Daten in Beziehung zu
setzen und als Folge davon die Treibmittelabmessungen der Vorrichtung
der seismischen Quelle zu variieren, um die gewünschten Kompressions- und/oder
Scherwellen zu erhalten.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Vorrichtung zur Erzeugung eines seismischen Signals, die in
einem unterirdischen Bohrloch eingesetzt werden kann, das entweder
ein verrohrtes oder ein nicht ausgebautes Bohrloch ist.
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Eine
wiederum weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
von Computermodellsoftware zur Erzeugung der gewünschten seismischen Energiequelle
durch Auswahl der geometrischen Konfiguration des Treibmittels,
bevor die eigentliche Arbeit in den echten Schacht- oder Bohrlöchern durchgeführt wird,
und die Verwendung der Felddaten aus schnell aufzeichnenden Druck-,
Beschleunigungs- und Belastungsmessern, um die Genauigkeit der Computermodellschätzungen
zu prüfen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Zur
Erfüllung
der vorstehend genannten und anderer Aufgaben sowie in Übereinstimmung
mit den Zwecken der vorliegenden Erfindung, so wie sie hier ausgeführt und
grob beschrieben wird, umfaßt
nach einem ersten Aspekt der Erfindung das erfindungsgemäße Verfahren
zur Erzeugung einer seismischen Welle in einer unterirdischen Umgebung
das Herabhängen
eines ersten festen Treibmittelmaterials von der Oberfläche der
Erde innerhalb eines unterirdischen Schacht- oder Bohrlochs und
das Entzünden des
ersten festen Treibmittelmaterials in dem unterirdischen Schacht-
oder Bohrloch einschließt,
wodurch eine seismische Welle erzeugt wird, wobei zur Bestimmung
der Menge an Energie, die in der unterirdischen Umgebung angewandt
werden kann, bevor es zu einem dynamischen Bruch der Umgebung kommt, und
die in einem unterirdischen Schacht- oder Bohrloch angewandt werden
kann, ohne ein mechaniches Versagen der Verbauung des Schacht- oder
Bohrlochs zu verursachen, eine Computermodellberechnung durchgeführt wird,
auf deren Grundlage auch die geometrische Konfiguration eines ersten
festen Treibmittelmaterials ausgewählt wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Erzeugung einer seismischen Welle in einer unterirdischen Formation,
in die ein Schacht- oder Bohrloch eindringt, bereitgestellt, welches
die Detonation von mindestens einer Sprengladung in dem Schacht-
oder Bohrloch umfaßt,
wodurch zumindest ein Teil des Treibmittelmaterials, das zwischen
der mindestens einen Sprengladung und den Wänden des Schacht- oder Bohrloches
angeordnet ist, entzündet
wird, wobei zur Bestimmung der Menge an Energie, die in der unterirdischen
Umgebung angewandt werden kann, bevor es zu einem dynamischen Bruch
der Umgebung kommt, und die in einem unterirdischen Schacht- oder Bohrloch angewandt
werden kann, ohne ein mechaniches Versagen der Verbauung des Schacht- oder
Bohrlochs zu verursachen, eine Computermodellberechnung durchgeführt wird,
auf deren Grundlage auch die geometrische Konfiguration mindestens
eines Stücks
eines Treibmittelmaterials ausgewählt wird.
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Die
beiliegenden Zeichnungen zeigen die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung und dienen – gemeinsam
mit der Beschreibung – der
Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung.
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Dabei
zeigen
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1 eine Seitenansicht der
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, so wie innerhalb eines – geschnitten
dargestellten – Schachts
angeordnet, der in eine unterirdische Formation eindringt;
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2A – D teilweise
geschnittene Seitenansichten der Vorrichtung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine teilweise geschnittene
Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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4 eine teilweise geschnittene
Seitenansicht einer nochmals anderen Ausführungsform der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung;
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5 einen Längsschnitt
durch ein Perkussionsdetonationssystems, das sich zur Verwendung in
der vorliegenden Erfindung eignet;
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6 eine Seitenansicht einer
anderen Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, so wie innerhalb eines – geschnitten
dargestellten – Schachtes
angeordnet, der in eine unterirdische Formation eindringt;
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7 einen Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, so wie in 6 dargestellt;
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8 einen Querschnitt, welcher
die räumlichen
Beziehungen zwischen Komponenten der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung entlang der Linie A – A
von 7 darstellt;
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9 eine teilweise geschnittene
Detailansicht einer Sprengladung, die an eine Zündschnur angebracht wird;
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10 eine perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform
der Treibmittelhülse
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die in 7 dargestellt wird;
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11 einen Längsschnitt
eines Abschnitts eines Sprengsystems, das sich zur Verwendung in der
vorliegenden Erfindung eignet;
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12 eine perspektivische
Ansicht einer weiteren Ausführungsform
der Treibmittelhülse
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die in 7 dargestellt wird;
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13 einen Querschnitt durch
die Treibmittelhülse
entlang der Linie B – B
von 12;
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14 einen Querschnitt durch
eine weitere Ausführungsform
einer Treibmittelhülse,
die in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
die in 7 dargestellt
ist;
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15 eine ausschnittsweise
Ansicht der Treibmittelhülsenausführung, die
in 14 dargestellt wird,
welche die Innenwand der Hülse
zeigt; und
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16 einen Längsschnitt
durch eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, so wie in 6 dargestellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie
in 1 dargestellt, werden
eine oder mehrere Vorrichtungen 40 einer seismischen Quelle der
vorliegenden Erfindung an einem Ende eines Adapterzwischenteils 15 mittels
eines geeigneten Mittels wie Schraubengewinden angebracht. Das andere
Ende des Adapterzwischenteils 15 wird an ein Ende eines
Registriergerätes 16 durch
geeignete Mittel, wie zum Beispiel Schraubengewinde, angebracht,
während
das andere Ende des Registriergerätes 16 mit einem Kabelabschluß 17 durch
geeignete Mittel, wie zum Beispiel Schraubengewinde, verbunden wird.
Der Kabelabschluß 17 ist
an einem herkömmlichen
Drahtseil 18 festgemacht, und die Vorrichtungen 40 der
seismischen Quelle werden in den Schacht 10 hinuntergelassen.
Eine Kopplung 42 (2C und 2D) kann verwendet werden,
um die Vorrichtungen 40 zusammenzuhalten. Falls gewünscht, können geeignete
Mittel wie Dichtungsstücke
und Rohrleitung (nicht dargestellt) verwendet werden, um den Abschnitt
des Schachts 10 abzudichten, der benachbart zu einer unterirdischen
Formation 14 liegt. Alternativ dazu können eine Slickline, ein Abrollrohrgestänge, ein
Rohrstrang oder andere einem Fachmann geeignet erscheinende Mittel
verwendet werden, um eine oder mehrere Vorrichtungen 40 innerhalb
eines unterirdischen Schacht- oder Bohrlochs zu positionieren und
zu stützen.
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Unter
Bezugnahme auf 2A – 2D werden zwei Vorrichtungen 40 einer
seismischen Quelle der vorliegenden Erfindung als miteinander durch
eine Kopplung 42 verbunden dargestellt. Jede Vorrichtung 40 umfaßt einen
Träger 44 mit
einer oder mehreren Öffnungen,
Schlitzen oder Löchern 45.
Wenn ein Träger 44 mit
einer Vielzahl an Öffnungen 45 versehen wird,
können
diese Öffnungen
entweder einheitlich oder beliebig voneinander beabstandet oder
sonst geometrisch um den Umfang des Trägers 44 verteilt sein,
um die Form und Richtung des seismischen Signals zu kontrollieren,
und sie können
sich entweder entlang eines Abschnitts oder entlang im wesentlichen
der gesamten Länge
des Trägers 44 erstrecken und
eine einheitliche oder unterschiedliche Dichte entlang der Länge oder
des Umfangs davon aufweisen. Wie in dieser Patentschrift verwendet,
bedeutet der Begriff „Öffnung„ ein Loch
oder einen Schlitz durch die Wand des Trägers 44 oder einen
relativ dünnen
Bereich in der Wand des Trägers 44,
der bei Detonation eines Zündmittels
wie einer Zündschnur reißt. Obwohl,
wie in 2C und 2D dargestellt, die Öffnungen 45 im
allgemeinen einen kreisförmigen Querschnitt
aufweisen, können
sie auch so geformt sein, daß sie
andere geeignete Querschnittskonfigurationen aufweisen, zum Beispiel
sternförmig,
kreuzförmig
usw. sind, so wie dies dem Fachmann bekannt ist. Der Träger 44 ist
vorzugsweise aus Metall wie einem Qualitätsstahl gebildet. Jedes Ende
des Trägers 44 ist
mit einem geeigneten Verbindungsmittel wie Schraubengewinden 46 versehen.
Der Träger 44 kann
an einer oder mehreren Stellen seiner Länge gekrümmt oder eingeschnürt sein,
obwohl der Träger 44 vorzugsweise
im wesentlichen gerade ist, so wie in 2C und 2D dargestellt.
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Das
Treibmittel 50 ist an der Außenfläche 48 des Trägers 44 durch
ein geeignetes Mittel, wie zum Beispiel durch Formpressen, in einer
Weise wie unten beschrieben angebracht. Das Treibmittel 50 kann sich
entlang der gesamten Länge
des Trägers 44 oder
eines Abschnitts davon, um den gesamten Umfang des Trägers 44 oder
nur eines Teils davon erstrecken, und ist vorzugsweise so positioniert,
daß es zumindest
einen Abschnitt von mindestens einer Öffnung 45 abdeckt.
Obwohl das Treibmittel , so wie in 2C und 2D dargestellt, im allgemeinen
eine zylinderförmige
Konfiguration aufweist, kann es andere geeignete Konfigurationen
aufweisen, zum Beispiel spiralenförmig sein, einen oder mehrere
lineare oder gekrümmte
Streifen haben, einen oder mehrere im allgemeinen ringförmige Ringe
usw. Das Treibmittel 50 wird aus einem wasserabweisenden
oder wasserdichten Treibmittelmaterial hergestellt, das durch den hydrostatischen
Druck, zu dem es üblicherweise
in unterirdischen Schachtlöchern
oder Bohrlöchern während des
Abschlusses oder der Produktionsarbeiten kommt, physisch nicht beeinträchtigt wird
und fast allen Flüssigkeiten
gegenüber
nicht reagiert oder träge
ist, insbesondere gegenüber
jenen Flüssigkeiten,
die in einem unterirdischen Schacht- oder Bohrloch zu finden sind.
Vorzugsweise ist das Treibmittel ausgehärtetes Epoxidharz oder Plastik
mit einem eingebauten Oxidationsmittel, so wie jenem, das im Handel
von HTH Technical Services, Inc. in Coeur d'Alene, Idaho und Owen Oil Tools, Inc.
in Fort Worth, Texas, erhältlich
ist. Bei diesem Treibmittel müssen zwei
unabhängige
Bedingungen für
die Zündung
erfüllt
werden. Das Treibmittel muß einem
relativ hohen Druck ausgesetzt werden, zum Beispiel mindestens um
34,5 bar (500 psi), und ein Zündmittel
muß gezündet werden.
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Vorzugsweise
wird das Epoxidharz- oder Plastiktreibmittel mit eingebautem Oxidationsmittel
in eine Form (nicht dargestellt) gegossen oder eingespritzt, welche
um den Träger 44 herum
an einer geeigneten Stelle an der Oberfläche 14 so positioniert ist,
wie dies für
einen Fachmann offenkundig ist. Eine geeignete Form kann innerhalb
des Trägers 44 positioniert
und größenmäßig so gestaltet
werden, daß sie
dem Treibmittel ermöglicht,
sich in die Öffnung(en) 45 zu
erstrecken. Auf diese Weise erstreckt sich das Treibmittel 50 in
die Öffnung(en) 45,
aber endet im wesentlichen beim Innendurchmesser des Trägers 44,
so wie in 2C und 2D dargestellt. Das Treibmittel 50 wird
bei Umgebungstemperatur oder erhöhter
Temperatur gehärtet,
damit es sich verfestigen kann. Des weiteren wird in 2 dargestellt, daß das Treibmittel 50 vorzugsweise
mit kegelförmigen Enden 51 versehen
ist und so ausgebildet ist, daß es keinen
Abschnitt der Schraubengewinde 46 des Trägers 44 abdeckt.
Und obwohl der Träger 44 vorzugsweise
eine runde Querschnittskonfiguration aufweist, kann der Träger 44 auch jede
andere Querschnittskonfiguration aufweisen, zum Beispiel einen rechteckigen,
ovalen Querschnitt usw., der für
ein bestimmtes unterirdisches Schacht- oder Bohrloch und/oder eine
seismische Anwendung gewünscht
wird, so wie dies einem Fachmann offenkundig erscheint.
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Ein
elektrisches Kabel 22 wird an einem Ende davon mit einem
Kabelabschluß 17 verbunden und
an dem anderen Ende davon mit einem Startmittel, zum Beispiel einem
elektrischen Sprengzünder 20,
der innerhalb des Adapterzwischenteils 15 positioniert
wird. Der Sprengzünder 20 wird
an den Zwischenteil 15 mittels eines Erdungsdrahtes 24 geerdet,
der an dem Zwischenteil 15 durch ein geeignetes Mittel,
wie zum Beispiel eine Schraube 26, angebracht ist. Ein
Zündmittel,
zum Beispiel eine Zündschnur 28,
das einen Sprengstoff umfaßt,
wird am Sprengzünder 20 angebracht
und erstreckt sich in die Vorrichtung 40. Die Zündschnur 28 erstreckt
sich vorzugsweise durch die gesamte Länge jeder Vorrichtung 40.
Obwohl die Zündschnur 28 an
den Innenumfang jedes Trägers 44 durch
ein beliebiges geeignetes Mittel angebracht werden kann, wie zum
Beispiel durch Metallklemmen, hängt
die Zündschnur 28 vorzugsweise
nur vom Sprengzünder 20 herunter
und ist nicht am Träger 44,
in dem sie positioniert ist, festgelegt. Gemäß Konstruktion und Zusammenbau
werden Schraubengewinde 46 an einem Ende des Trägers 44 mit
entsprechenden Schraubengewinden am Adapterzwischenteil 15 verbunden.
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Im
Betriebszustand wird der Adapterzwischenteil 15 mit einem
Registriergerät 16 und
einem Kabelabschluß 17 verbunden,
so wie oben beschrieben. Der Kabelabschluß 17 wird an einem
herkömmlichen
Drahtseil 18 festgemacht, und die Treibmittelvorrichtungen
werden in die dem Schacht 10 benachbarte Formation 14 oder
in eine andere gewünschte Zone
gesenkt. Die Träger 44 bieten
ausreichend Steifheit und interne strukturelle Integrität für die Vorrichtung 40,
um eine effektive Anordnung der Vorrichtung innerhalb eines unterirdischen
Schacht- oder Bohrlochs sicherzustellen, insbesondere im Falle von Schacht-
oder Bohrlöchern
mit kleinen Durchmessern, gekrümmten
und/oder Schacht- oder Bohrlöchern
mit hohen Temperaturen, wobei Schäden vermieden werden. Sobald
die Plazierung erfolgt ist, wird Strom von einer geeigneten Quelle
an der Oberfläche über das
Drahtseil 18 und das elektrische Kabel 22 durchgeführt, um
den Sprengzünder 20 zu zünden, der
wiederum die Zündschnur 28 entzündet. Die
Temperatur und der Druck, die sich infolge der Zündung der Zündschnur ergeben, zünden das Treibmittel 50 an
diskreten Stellen in einem vorbestimmten Muster, wo sich das Treibmittel 50 in
die Öffnung(en) 45 erstreckt.
Das Treibmittel 50 in der Öffnung/den Öffnungen 45 ist begrenzt
und daher leicht zu entzünden
und entwickelt eine sehr hohe Brenngeschwindigkeit. Die Zündung des
Treibmittels in der Öffnung/den Öffnungen 45 erzeugt
ausreichende Hitze und ausreichenden Druck, um das verbleibende
Treibmittel 50 zu zünden,
das außerhalb des
Trägers 44 positioniert
ist. Druckgas, das im Schacht 10 durch das Verbrennen des
Treibmittels 50 erzeugt wird, tritt entweder direkt in
die Formation 14 ein, wie im Fall eines Abschlusses eines
nicht verbauten Bohrlochs oder durch Perforationen, die in der Verrohrung 11 gebildet
werden, wodurch eine seismische Welle erzeugt wird, die sich durch
die Formation 14 hindurch verbreitet. Sowohl Kompressions-
als auch Scherwellen können
in der Formation induziert werden, in Abhängigkeit von der Geometrie des
Treibmittels, dem genauen Träger,
der verwendet wird, der Zündungssequenz
einzelner oder mehrerer Vorrichtungen der seismischen Quelle und
der Position der Vorrichtung der seismischen Quelle im Schacht.
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Wenn
die Vorrichtung der seismischen Quelle in einem Schacht mit nicht
perforierter Verrohrung gezündet
wird, übt
die rasche Ausbreitung des Hochdruckgases innerhalb des begrenzten
Raums des verrohrten Schachts einen Druckimpuls gegen die Verrohrung
aus, der wiederum eine seismische Welle (mechanisch) in die umgebende
unterirdische Formation abgibt. Der Träger 44 ist für eine Mehrfachverwendung
ausgerichtet, wenn er jedoch beschädigt wird, kann er über das
Drahtseil 18 aus dem Schacht entfernt, repariert und wieder
verwendet werden. Die Kompressions- und/oder Scherwellen, die bei
der Zündung
und dem Verbrennen des Treibmittels entstehen, werden von einem
oder mehreren herkömmlichen
Geophonen 9 aufgezeichnet, die an der Oberfläche 13 der
Erde oder in der Nähe
des Schachtes/der Schächte
in einem vorbestimmten Feld oder Muster angeordnet sind. Diese Geophone
sind zeitlich so eingestellt, daß sie Aufzeichnungen machen, wenn
Strom über
das Drahtseil 18 zur Vorrichtung 40 fließt, um die
Aufzeichnung mit dem Beginn der Treibmittelverbrennung und dem Durchgang
der seismischen Signale zu synchronisieren. Eine solche Synchronisierung
wird mit Hilfe einer Vorrichtung, wie zum Beispiel einer Spule,
erzielt, die mit dem Drahtseil 18 verbunden oder – falls
dies verwendet wird – mit
einem anderen elektrischen Kabel verbunden ist, um durch Induktion
den Stromimpuls zu erfassen, der bei Zündung des Sprengzünders 20 auftritt,
so wie dies für
den Fachmann offenkundig ist. Da das Treibmittel langsamer brennt
als andere herkömmliche Sprengstoffe
wird mehr seismische oder mechanische Energie auf die unterirdische
Schicht übertragen,
wodurch weniger Schaden am Bohrloch entsteht. Durch Variieren der
Abmessungen, d. h. Länge und/oder
Dicke, des Treibmittels 50 wird auch die Scherenergie,
die aus dem Verbrennen des Treibmittels resultiert, variiert. Wie
vorhin erwähnt,
kann die Konfiguration des Treibmittels 50 auch variiert
werden, um Kompressions- oder Schwerwellen zu erzeugen, die ein
gewünschtes
Signal aufweisen, d. h. Amplitude und/oder Frequenz. Wenn mehrere
Vorrichtungen der seismischen Quelle gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, so wie in 1 dargestellt,
kann jede Quelle getrennt gezündet
werden, um ein getrenntes seismisches Ereignis zu erzeugen, das
dann durch das Geophonfeld 9 an der Oberfläche 13 aufgezeichnet
wird. Des weiteren kann nach dem Zünden einer Vorrichtung der
seismischen Quelle die verbleibende Vorrichtung der seismischen
Quelle innerhalb des Schachts vor weiteren Zündungen neu positioniert werden.
Diese Sequenz des Zündens
einer Quellvorrichtung und das Neupositionieren einer anderen Quelle
im Schacht durch Heben oder Senken des Drahtseils, der Slickline,
des Rohrstrangs oder des Abrollrohrgestänges kann so oft wie gewünscht wiederholt
werden. Wenn anfangs nur eine Vorrichtung der seismischen Quelle
innerhalb eines Schachts positioniert wird, kann die Quelle gezündet und
eine andere Quellvorrichtung danach in den Schacht zur Zündung abgesenkt
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird
eine andere Ausführungsform
der Treibmittelvorrichtung der vorliegenden Erfindung im allgemeinen
als 40 dargestellt und umfaßt einen internen Träger 44 mit
einem darauf preßgeformten
Treibmittel. In dieser Ausführungsform
wird ein Innenrohr 52 mit relativ kleinem Durchmesser innerhalb
des Trägers 44 angeordnet und
ist vorzugsweise damit konzentrisch. Das Treibmittel 50 wird
in die Form, die den Träger 44 umgibt, gegossen
und kann das Innere des Trägers
durch eine Öffnung/Öffnungen 45 ausfüllen, so
daß nach der
Aushärtung
das Treibmittel 50 eine feste Masse bildet, welche sich
vom Innenrohr 52 durch die Öffnung(en) 45 zum
Außenbereich
des Trägers 44 erstreckt.
In dieser Ausführungsform
wird die Zündschnur 28 innerhalb
des Innenrohrs 52 angeordnet, welches sich aufgrund der
Hitze und des Drucks, die durch die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung erzeugt werden, auflöst.
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In
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 4 dargestellt
wird, wird eine Hülse eines
geeigneten Materials, zum Beispiel Pappe, um den Träger 44 positioniert,
bevor das Treibmittel 50 darauf in einer Weise wie oben
beschrieben preßgeformt
wird. Bei dieser Konstruktion erstreckt sich das Treibmittel 50 nicht
in bedeutendem Ausmaß in
die Öffnung(en) 45.
Alternativ dazu kein eine Hülse
des Treibmittels 50 getrennt geformt oder ausgebildet und
entsprechend größenmäßig gestaltet
werden, um dann danach um den Träger 44 positioniert
und durch ein geeignetes Mittel befestigt werden, so wie dies für einen
Fachmann offenkundig ist. In der in 4 dargestellten
Ausführungsform
wird die Zündschnur 28 innerhalb
des Trägers 44 positioniert
und kann – aber
muß nicht – am Innendurchmesser
davon befestigt werden.
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Obwohl
der Träger 44 und
der Adapterzwischenteil 15 vorzugsweise aus Metall hergestellt
werden, können
der Träger 44 und
der Adapterzwischenteil 15 auch aus einem Material erzeugt
werden, das sich bei einer Detonation eines Sprengzünders 20 im wesentlichen
vollständig
auflöst
oder auseinander bricht, zum Beispiel eine Polyesterfaser oder eine Epoxidharzzusammensetzung.
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Wie
oben beschrieben und in 2B dargestellt,
sorgt ein elektrischer Sprengzünder
für die
Detonation der Zündschnur 28,
und ein Treibmittel 50, wenn die Stimuliervorrichtung der
vorliegenden Erfindung in einen unterirdischen Schacht über ein
Drahtseil, eine Slickline usw. erfolgt. Alternativ dazu kann ein
Perkussionssprengzünder
verwendet werden und wird zur Verwendung in Verbindung mit der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn die Vorrichtung in den
unterirdischen Schacht über eine
Rohrleitung eingeführt
wird, zum Beispiel einen herkömmlichen
Rohrstrang oder ein Abrollrohrgestänge. Wie in 5 dargestellt, kann ein Entlüftungsgehäuse 110 am
Ende eines Rohrstrangs 111 oder eines Drahtseils (nicht
dargestellt) angebracht werden. Ein Entlüfter 112 wird mit
dem Verbindungsstab 114 innerhalb des Entlüftungsgehäuses 110 verbunden
und dichtet einen Flüssigkeitsdurchgang 16 ab.
Der Stab 114 ist in Berührung
mit einem Kolben 118. Eine ringförmige Kammer 120 zwischen
dem Kolben 118 und der Innenwand des Gehäuses 110 wird
mit Luft bei atmosphärischem
Druck gefüllt.
Benachbart zum Boden des Kolbens 118 sind Scherstifte 122 in
einem Schersatz 124 befestigt, und ein Zündungsstift 126 erstreckt
sich nach unten vom Boden des Kolbens 118. Ein Halter 128 verbindet
das Entlüftungsgehäuse 100 und
den Tandemzwischenteil 60. Der Perkussionssprengzünder 130 wird
im Halter 128 im Zündungskopf 136 befestigt,
der am Entlüftungsgehäuse 110 angebracht
ist und am Tandemzwischenteil 60 angebracht werden kann.
Der Zwischenteil 60 wird an der Treibmittelvorrichtung 40 angebracht.
Ein Zündungstransfer 132 am
oberen Teil des Zwischenteils 60 steht mit der Zündschnur 28 in Verbindung,
die durch den zentralen Kanal 134 und die Treibmittelvorrichtung 40 verläuft, so
wie oben beschrieben. Ein Verstärkertransfer
ist in jedem Tandemzwischenteil 60 angeordnet, wobei die
Zündschnüre in der
Treibmittelvorrichtung 40 oberhalb und unterhalb des Tandemzwischenteils
verbunden werden.
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Bei
Anwendung von ausreichendem hydraulischen Druck auf den oberen Teil
des Kolbens 118, bewegen sich der Entlüfter 112 und der Kolben 118 gleichzeitig
nach unten, wodurch der Flüssigkeitsdurchgang 114 geöffnet wird
und der Zündungsstift 126 mit
dem Perkussionssprengzünder 130 in
Berührung
kommt. Die Zündung
des Perkussionssprengzünders 130 verursacht
eine zweite Detonation im Zündungstransfer 123,
der wiederum die Zündschnur 28 entzündet. Die
Zündschnur 28 umfaßt einen Sprengstoff
und verläuft
zwischen den Enden jeder Treibmittelvorrichtung. Die Zündschnur 28 zündet das
Treibmittel 50 in der Vorrichtung 40 und im Verstärkertransfer,
der einen hochgradigeren Sprengstoff enthält als die Zündschnur 28.
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Wie
oben besprochen, kann das Zündmittel ein
Detonationsmaterial wie eine Zündschnur 28 sein.
Alternativ dazu kann das Zündmittel
ein Abbrennmaterial oder eine Abbrennschnur sein. So kann zum Beispiel
ein Rohr, das Schwarzpulver enthält,
als Zündsystem
verwendet werden, um das Treibmit tel in der Vorrichtung und das
Verfahren der vorliegenden Erfindung zu zünden.
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Wie
in 6 dargestellt, werden
eine oder mehrere Vorrichtungen 220 der seismischen Quelle der
vorliegenden Erfindung am unteren Ende des Rohrstrangs 218 befestigt
und in den unterirdischen Schacht 210 abgesenkt, der sich
von der Oberfläche 203 der
Erde bis in eine Tiefe erstreckt, zu welcher der Schacht gebohrt
wurde. Die im Schacht 210 ganz oben positionierte Vorrichtung 220 kann
direkt mit dem Ende des Rohrstrangs 218 verbunden werden. Ein
Tandemzwischenteil 260 kann verwendet werden, um die Vorrichtung 220 zusammenzuhalten, während ein
starkwandiger Stopfen 266 am Ende der untersten Vorrichtung 220 angebracht
werden kann. Ein Rohrstrang kann verwendet werden, um die Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung innerhalb eines Schacht- oder Bohrlochs
zu positionieren und zu stützen.
Die Rohrleitung wird vorzugsweise dazu verwendet, mehrere Vorrichtungen 220 in
dasselbe Schacht- oder Bohrloch zu transportieren. Alternativ dazu
können
ein Drahtseil, eine Slickline, ein Abrollrohrgestänge oder
ein anderes für
den Fachmann offenkundig geeignetes Mittel verwendet werden, um eine
oder mehrere Vorrichtungen 220 innerhalb eines Schacht- oder Bohrlochs zu
positionieren und zu stützen.
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Unter
Bezugnahme auf 7 wird
die Vorrichtung der seismischen Quelle der vorliegenden Erfindung
im allgemeinen als 220 dargestellt und weist ein Ende auf,
das an einem Tandemzwischenteil 260 befestigt ist, während das
andere Ende davon an einem starkwandigen Stopfen 266 befestigt
ist. Ein Treibladungsträger 222 ist
zwischen dem Tandemzwischenteil 260 und dem starkwandigen
Stopfen 266 angeordnet und daran durch ein geeignetes Mittel
angebracht, wie zum Beispiel durch das Zusammenbringen von Schraubgewinden 223 und 224,
die in der Innenfläche
des Trägers 222 benachbart
zu jedem Ende davon bereitgestellt werden, mit den entsprechenden
Gewinden 261 und 267 des Tandemzwischenteils 260 beziehungsweise
des starkwandigen Stopfens 266. O-Ringe 270 bieten
eine flüssigkeitsdichte
Abdichtung zwischen dem Träger 222 und
dem Tandemzwischenteil 260, während O-Ringe 274 für eine flüssigkeitsdichte
Abdichtung zwischen dem Träger 122 und
dem starkwandigen Stopfen 266 sorgen. Der Träger 222 kann
ein im Handel erhältlicher
Träger
für Treibladungen
sein und enthält
mindestens eine geformte Sprengladung 240, die imstande
ist, eine Öffnung
in der Trägerwand 230,
aber nicht in der Schachtverrohrung 212 (falls vorhanden) oder
der benachbarten unterirdischen Formation 216 zu schaffen.
Ein Ladungsrohr 234 wird innerhalb des Trägers 222 positioniert
und weist mindestens eine relativ große Öffnung oder ein Loch 235 und
eine Vielzahl von kleineren Öffnungen
oder Löchern 236 darin
auf. Die Öffnungen 235 in
der Wand des Ladungsrohrs 234 können sowohl vertikal entlang
und winkelig um die Achse des Rohrs beabstandet werden. Der Ladungsträger 222 und
das Ladungsrohr 234 haben im allgemeinen verlängerte röhrenförmige Konfigurationen.
Eine Sprengladung 240 weist ein kleines Ende 246,
das in einer Öffnung
oder einem Loch 236 im Ladungsrohr 234 befestigt
ist, so wie oben beschrieben, und ein großes Ende 248 auf,
das mit dem Loch oder der Öffnung 235 im
Rohr 234 ausgerichtet ist und durch dieses vorsteht. Mindestens eine
Sprengladung 240 wird in dem Ladungsrohr 234 befestigt.
Eine Zündschnur 286 wird
mit einem Sprengzünder
oberhalb des Tandemzwischenteils 260 mit dem kleinen Ende 246 jeder
Treibladung und der Endabdeckung 268 im starkwandigen Stopfen 266 verbunden.
Eine oder mehrere zusätzliche
Kombinationen eines Ladungsträgers,
Verstärkertransfers
und eines Tandemzwischenteils könnten
oberhalb des Trägers 222 befestigt
werden. Rohrausrichtungsendplatten 250 dienen der Ausrichtung
des Ladungsrohrs 234 innerhalb des Trägers 222, so daß die Vorderseite
jeder Ladung benachbart zu einem bogenförmigen Ausschnitt 227 in
der Wand des Trägers 222 ist.
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Wenn
mehrere Ladungen vorhanden sind, können sie vertikal entlang und
winkelig um die Achse des Trägers
herum beabstandet werden. Die Ladungsdichte ist eine geeignete Dichte,
die durch Verfahren bestimmt wird, die den Fachmännern bekannt sind. Übliche Ladungsdichten
liegen zwischen 6 und 72 pro Meter (zwischen 2 und 24 pro Fuß). Die
Zündungsschnur 286 verbindet
einen Verstärkungstransfer
(nicht dargestellt) im Tandemzwischenteil 260 oberhalb
des Trägers 222,
alle Treibladungen 240 und die Endabdeckung 268 in
dem starkwandigen Stopfen 266.
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Wie
in 8 dargestellt, erstrecken
sich Halterungen 280 am kleinen Ende 246 der Sprengladung 240 durch
die Öffnung 236 in
dem Ladungsrohr 234. Eine Klemme 282 befestigt
die Sprengladung 240 an dem Ladungsrohr 234. Die
Zündschur 286 wird
durch einen Abstand 284 zwischen den Halterungen 280 und
der Klemme 282 gewunden. Das Ladungsrohr 234 wird
im Träger 222 befestigt,
so daß das
kleine Ende 246 der Ladung 240 benachbart zum bogenförmigen Ausschnitt 227 im
Träger 222 ist.
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Unter
Bezugnahme auf 9 wird
eine Treibladung im allgemeinen als 240 dargestellt. Ein stark
komprimierter Sprengstoff 241 füllt teilweise das Ladungsgehäuse 242.
Das Ladungsgehäuse 242 kann
eine den Fachleuten bekannte beliebige Form aufweisen. In Abhängigkeit
von dem verwendeten Gehäuse,
können
das Volumen und die Form des Sprengstoffs 241 variiert
werden, um die gewünschten
Ergebnisse zu erzielen. Im allgemeinen enthalten nicht gefütterte Treibladungen
weniger Sprengstoff als durchlöchernde
Ladungen und sind so geformt, daß nur der Ladungsträger 222 durchdrungen
wird, während
die Schachtverrohrung und/oder die Schacht- oder Bohrlochwände intakt
bleiben. Im Gegensatz zu einer durchlöchernde Ladung weist eine Sprengladung 240 kein
Futter auf. Anstatt eines Futters kann eine dünne Beschichtung 243 eines
luftundurchlässigen
Materials an der sonst exponierten Oberfläche des Sprengstoffs angebracht
werden, um eine Oxidation vor der Detonation zu verhindern. Die Beschichtung 243 kann
Farbe, Schellack, Klebstoff oder ein ähnliches Material umfassen,
das mit dem Sprengstoff keine chemische Reaktion eingeht. Die Sprengstoffzusammensetzung,
die in der nicht gefütterten
Sprengladung 240 verwendet wird, ist eine den Fachleuten
bekannte Zusammensetzung und wird ausgewählt, um bei der Temperatur,
die im Schacht benachbart zu der betreffenden Formation herrscht, zu
funktionieren. Häufig
verwendete Zusammensetzungen umfassen Sprengstoffe der Grade RDS, HMX,
PS, HNS, PYX und NONA. Optional kann eine Abdeckung (nicht dargestellt)
installiert werden, um zu verhindern, daß Sand in den Abschnitt des
Gehäuses
eindringt, der nicht durch den Sprengstoff ausgefüllt wird.
Die Abdeckung kann ein beliebiges geeignetes Material umfassen.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird eine Hülse 290 mit einer
im allgemeinen röhrenförmigen Konfiguration
(10) um den Treibladungsträger 222 während der
Herstellung der Vorrichtung 220 der seismischen Quelle
der vorliegenden Erfindung oder während des Endzusammenbaus davon
positioniert, die am Schachtstandort stattfinden kann. Im zusammengebauten
Zustand (2) wird die
Treibmittelhülse 290 um
den Treibladungsträger 222 herum
an einem Ende durch den Tandemzwischenteil 260 und am anderen
Ende durch den starkwandigen Stopfen 266 befestigt und positioniert.
Der Tandemzwischenteil 260 und der starkwandige Stopfen 266 können größenmäßig so gestaltet
werden, daß sie
einen größeren Außendurchmesser
als die Treibmittelhülse 290 aufweisen, so
daß während der
Positionierung innerhalb eines Schacht- oder Bohrlochs kein Schaden
an der Treibmittelhülse 290 entsteht.
Alternativ dazu können Schutzringe
oder dergleichen (nicht dargestellt), die einen größeren Außendurchmesser
als die Treibmittelhülse 290 aufweisen,
zwischen dem Tandemzwischenteil 260, dem starkwandigen
Stopfen 266 und der Treibmittelhülse 290 während der
Herstellung oder dem Endzusammenbau der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung eingefügt
werden, um Schäden an
der Treibmittelhülse 290 zu
vermeiden. Die Treibmittelhülse 290 kann
sich über
den gesamten Abstand zwischen dem Tandemzwischenteil 260 und dem
starkwandigen Stopfen 266 oder eines Abschnitts davon erstrecken.
Die Treibmittelhülse 290 wird
aus einem wasserabweisenden oder wasserdichten Treibmittelmaterial
hergestellt, das durch hydrostatischen Druck, der häufig während des
Durchlöcherns
einer unterirdischen Formation beobachtet wird, nicht physikalisch
beeinträchtigt
wird und gegenüber
beinahe allen Flüssigkeiten,
insbesondere jenen Flüssigkeiten,
die in einem unterirdischen Schacht- oder Bohrloch zu finden sind,
nicht reagiert oder träge
ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Treibmittel um ausgehärtetes Epoxidharz
oder Plastik mit einem eingebauten Oxidationsmittel wie jenem, das
im Handel von HTH Technical Services, In. in Coeur d'Alene, Idaho, erhältlich ist.
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Jedes
geeignete Detonationssystem kann in Verbindung mit der Vorrichtung 220 der
seismischen Quelle der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
wie für
Fachleute offenkundig ist. Ein Beispiel für ein derartiges geeignetes
Detonationssystem ist in 11 dargestellt.
Das Entlüftungsgehäuse 310 kann
am Ende eines Rohrstrangs 311 oder eines Drahtseils (nicht
dargestellt) befestigt werden. Ein Entlüfter 312 wird an dem
Verbindungsstab 314 innerhalb des Entlüftungsgehäuses 310 angebracht und
dichtet den Flüssigkeitsdurchgang 316 ab.
Der Stab 314 steht in Kontakt mit einem Kolben 318.
Eine ringförmige
Kammer 320 zwischen dem Kolben 318 und der Innenwand
des Gehäuses 310 wird
mit Luft bei atmosphärischem
Druck gefüllt.
Benachbart zum Boden des Kolbens 318 werden Scherstifte 322 im Schersatz 324 befestigt,
und ein Zündstift 326 erstreckt
sich nach unten vom Boden des Kolbens 318. Ein Halter 328 verbindet
das Entlüftungsgehäuse 300 und
den Tandemzwischenteil 260. Der Perkussionssprengzünder 330 wird
im Halter 328 im Zündungs kopf 336 befestigt,
der am Entlüftungsgehäuse 310 angebracht
ist und mit dem Tandemzwischenteil 260 verbunden werden
kann. Der Tandemzwischenteil 260 ist mit dem Treibladungsträger 222 verbunden.
Ein Zündungstransfer 332 am
oberen Teil des Tandemzwischenteils 260 steht in Kontakt
mit der Zündschnur 286,
die durch den zentralen Kanal 334 und den Ladungsträger 222 verläuft, so
wie oben beschrieben. Ein Verstärkungstransfer
befindet sich in jedem Tandemzwischenteil 260, der die
Zündschnüre in den
Ladungsträgern
oberhalb und unterhalb des Tandemzwischenteils verbindet.
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Bei
Anwendung von ausreichend hydraulischem Druck auf den oberen Teil
des Kolbens 318, bewegen sich der Entlüfter 312 und der Kolben 318 gleichzeitig
nach unten, wobei der Flüssigkeitsdurchgang 314 geöffnet wird
und der Zündungsstift 326 mit dem
Perkussionssprengzünder 330 in
Berührung kommt.
Die Zündung
des Perkussionssprengzünders 330 verursacht
eine sekundäre
Detonation im Zündungstransfer 332,
wodurch wiederum die Zündungsschnur 286 gezündet wird.
Die Zündungsschnur 286 umfaßt einen
Sprengstoff und verläuft zwischen
den Enden jedes Ladungsträgers,
verlaufend zwischen den Rückseiten
der Ladungen und den Ladungsklemmen, welche die Ladungen im Träger halten.
Die Zündschnur 286 zündet die
Treibladungen 240 im Ladungsträger 222 und dem Verstärkungstransfer,
der einen hochgradigeren Sprengstoff enthält als die Zündschnur 286.
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Wie
oben beschrieben und in 11 dargestellt,
sorgt ein Stoßsprengzünder für eine primäre Detonation.
Wenn die Vorrichtung der seismischen Quelle über ein Drahtseil läuft, könnte der
primäre Sprengzünder alternativ
ein elektrischer Sprengzünder
sein. Der primäre
Sprengzünder
zündet
eine druckempfindliche Chemikalie im Zündungstransfer 232,
der wiederum die Zündungsschnur
zündet.
Die Zündungsschnur
zündet
dann gleichzeitig eine oder mehrere Treibladungen 240 im
Träger 222.
Jeder Verstärkungstransfer enthält auch
einen Sprengstoff zum Zünden
der Zündungsschnur 286 im
benachbarten Träger.
Das System kann von oben, von unten oder von beiden Seiten gezündet werden.
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Im
Betriebszustand wird die gewünschte
Anzahl an Treibladungsträgern 222 mit
Treibladungen 240 geladen und mit einem Detonationsmittel
wie einer Zündschnur 286 verbunden.
Ein Strang an Vorrichtungen 220, der durch Tandemzwischenteile 260 getrennt
wird, wird am Schachtstandort zusammengebaut, während die Einheiten in den
Schacht 210 am Ende eines Rohrstrangs, eines Drahtseils,
einer Slickline, eines Abrollrohrgestänges oder eines anderen geeigneten,
den Fachleuten offenkundigen Mittels abgesenkt werden. Die Treibmittelhülse 290 kann
aus einer Länge
des Treibmittels röhrenförmig geschnitten
und um den Treibladungsträger 222 am Schachtstandort
positioniert werden. Die Vorrichtung 220 wird dann im Schacht
mit den Treibladungen benachbart zum gewünschten unterirdischen Intervall 216,
das zu untersuchen ist, dort plaziert, wo die Vorrichtung der seismischen
Quelle der vorliegenden Erfindung gezündet werden soll. Die Treibladungen 240 werden
dann zur Detonation gebracht. Bei der Detonation explodiert jede
Sprengladung 240 durch einen bogenförmigen Ausschnitt 227 im
Träger 232 und durchdringt
die Treibmittelhülse 290,
welche auseinander bricht und aufgrund des Stoßes, der Hitze und des Drucks
der detonierten Sprengladung 240 zündet. Druckgas, das sich im
Schacht 210 aus dem Verbrennen der Treibmittelhülse 290 gebildet
hat, tritt in die Formation oder den Intervall 216 im Fall
eines Abschlusses eines nicht verbauten Bohrloches entweder direkt
oder durch Perforationen, die zuvor in der Verrohrung 212 ausgebildet
wurden, ein, wodurch eine seismische Welle erzeugt wird, die sich
durch die Formation oder den Intervall 216 ausbreitet.
Die Kompressions- und/oder
Scherwellen, die durch die Zündung
und das Verbrennen des Treibmittels erzeugt werden, werden durch
eines oder mehrere herkömmliche
Geophone 209 aufgezeichnet, die an der Oberfläche der
Erde oder in Schächten
in der Nähe in
einem vorbestimmten Feld oder Muster angeordnet sind. Diese Geophone 209 sind
zeitlich so eingestellt, daß sie
beim Durchlaufen von Strom zur Vorrichtung 220 Aufzeichnungen
führen,
um die Aufzeichnung mit dem Beginn der Treibmittelverbrennung und
dem Durchgang der seismischen Signale zu synchronisieren. Diese
Synchronisierung wird mit Hilfe einer Vorrichtung wie einer Spule
erzielt, welche mit dem Drahtseil 18 oder – falls
verwendet – einem anderen
elektrischen Kabel verbunden wird, um durch Induktion den Stromimpuls
zu erfassen, der beim Zünden
des Sprengzünders 330 auftritt,
so wie für
den Fachmann offenkundig. Da das Treibmittel langsamer brennt als
andere herkömmliche
Sprengstoffe, wird mehr seismische oder mechanische Energie an die
unterirdische Schicht übertragen,
wodurch weniger Schaden am Bohrloch entsteht. Durch Variieren der
Abmessungen, d. h. Länge
und/oder Dicke, der Treibmittelhülse 290 variiert
auch die Scherenergie, die sich aus dem Verbrennen des Treibmittels
ergibt. Wie zuvor erwähnt,
kann die Konfiguration der Treibmittelhülse 290 ebenfalls
variiert werden, um eine Kompressions- oder Scherwelle mit einem gewünschten
Signal, d. h. Amplitude und/oder Frequenz, zu erzeugen. Wenn mehrere
Vorrichtungen der seismischen Quelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung so wie in 1 dargestellt verwendet
werden, kann jede Quelle getrennt gezündet werden, um ein getrenntes
seismisches Ereignis zu erzeugen, das vom Geophonfeld 209 an
der Oberfläche 203 aufgezeichnet
wird. Um bei der Zündung zu
unterstützen,
kann die Treibmittelhülse 290 mit
einer oder mehreren Rillen oder Schlitzen 292 versehen
werden, die sich durch die gesamte Dicke der Treibmittelhülse 290 (12) und im wesentlichen die
gesamte Länge
davon erstrecken können.
Der Schlitz ist benachbart zu einer Sprengladung 240 positioniert,
so daß bei
Zündung
die Sprengladung 240 auf den Schlitz 202 auftrifft,
der eine größere Oberfläche für das Zünden und
Verbrennen der Treibmittelhülse 290 bietet.
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Vorzugsweise
ist der Schlitz 292 kegelförmig (13), so daß der Schlitz an der Innenfläche der Treibmittelhülse 290 weiter
ist als die Außenfläche davon.
Um eine einheitliche und wiederholbare Verbrennung zu erzielen,
kann die Innenfläche
der Treibmittelhülse 290 mit
Rillen oder Kanälen 294 (14 und 15) versehen werden, um der Treibmittelhülse 290 dabei
zu helfen, gleichmäßig zu zerbrechen, wenn
sie von der Sprengladung 240 getroffen wird. Die Rillen
oder Kanäle 294 können eine
unterschiedliche oder einheitliche Dicke oder Tiefe aufweisen und
können
in einem einheitlichen oder zufälligen Muster
gebildet werden.
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Obwohl
das Treibmittel, das in dieser Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, oben als Hülse, Mantel oder Umkleidung
beschrieben wird, was im allgemeinen steif ist, kann das Treibmittel
in unterschiedlichen Formen, Konfigurationen und/oder Ausbildungen
verwendet werden, solange das Treibmittel zwischen den Wänden des Schacht-
oder Bohrlochs oder der Verrohrung, die innerhalb eines unterirdischen
Schacht- oder Bohrlochs positioniert ist, und der mindestens einen
Treibladung angeordnet wird, welche innerhalb des Schacht- oder
Bohrlochs 210 und/oder der Verrohrung 211 positioniert
ist. Zum Beispiel kann das Treibmittel 290', wie in 10 dargestellt, im wesentlichen schrauben-
oder spiralenförmig
sein und um den perforierenden Ladungsträger 222 während der
Herstellung der perforierenden und Treibmittelvorrichtung 220 der
vorliegenden Erfindung oder während
des Endzusammenbaus davon, der am Schachtstandort stattfinden kann,
positioniert werden. Im zusammengebauten Zustand (7) wird das Treibmittel 290' um den perforierenden
Ladungsträger 222 an
einem Ende durch den Tandemzwischenteil 260 und am anderen
Ende durch den starkwandigen Stopfen 266 angebracht und
positioniert. Der Tandemzwischenteil 260 und der starkwandige
Stopfen 266 können
größenmäßig so ausgestaltet
werden, daß sie
einen größeren Außendurchmesser
als das Treibmittel 290' aufweisen,
so daß eine
Beschädigung
des Treibmittels 290' während der
Positionierung innerhalb eines Schacht- oder Bohrlochs verhindert
wird. Alternativ dazu können
Schutzringe oder dergleichen (nicht dargestellt), die einen größeren Außendurchmesser als
das Treibmittel 290' aufweisen,
zwischen dem Tandemzwischenteil 260, dem starkwandigen
Stopfen 266 und dem Treibmittel 290' während der Herstellung oder
dem Endzusammenbau der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden, so daß eine
Beschädigung
des Treibmittels 290' verhindert
wird. Das Treibmittel 290' kann
sich entlang des gesamten Abstands zwischen dem Tandemzwischenteil 260 und
dem starkwandigen Stopfen 266 oder entlang eines Abschnitts
davon erstrecken. Alternativ dazu kann das Treibmittel 290' in Form eines oder
mehrerer Bänder
oder in Form einer oder mehrerer im allgemeinen linearen oder im
allgemeinen bogenförmigen
Streifen gestaltet sein, die um den Ladungsträger 222 positioniert
sind, so daß es
zwischen dem mindestens einem Ladungsträger 240 und einer
Verrohrung 212 angeordnet ist. Die Bänder des Treibmittels 290' können im
allgemeinen ringförmig
sein und einen Spalt darin aufweisen, um einen U-förmigen oder
C-förmigen
Querschnitt aufzuweisen. Als weiteres Beispiel kann das Treibmittel 290' biegsam und
um den gesamten oder einen Abschnitt des Ladungsträgers 222 in
beliebiger Form oder beliebigem Muster gewickelt sein, so daß es zwischen der
mindestens einen Sprengladung 240 und einem Schacht- oder
Bohrloch 210 und/oder einer Verrohrung 212 angeordnet
ist. In beiden Ausführungsformen
kann das Treibmittel 290' am
Ladungsträger durch
ein dem Fachmann offenkundiges geeignetes Mittel angebracht werden,
so wie zum Beispiel ein im Handel erhältliches Klebemittel. Gemäß einer
weiteren Alternative weist das Treibmittel 290' eine relativ dünne, diskrete
Form mit geeigneter Umfangskonfiguration auf, zum Beispiel polygonal
oder eine geschlossene ebene Kurve wie ein Kreis, und ist an der Außenfläche des
Ladungsträgers 222 durch
ein geeignetes Mittel, zum Beispiel ein Klebemittel oder Schraubengewinde,
angebracht, so daß es
zwischen mindestens einer Sprengladung 240 und einem Schacht-
oder Bohrloch 210 und/oder einer Verrohrung 212 angeordnet
ist.
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Unter
Bezugnahme auf 16 wird
eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung der seismischen Quelle der vorliegenden Erfindung
im allgemeinen als 220 dargestellt und weist einen Treibladungsträger 222 auf,
der zwischen zwei Tandemzwischenteilen 260 oder zwischen
einem Tandemzwischenteil 260 und einem starkwandigen Stopfen 226 angeordnet
ist. In dieser Ausführungsform
besteht der Träger 222 aus
einem wasserabweisenden oder wasserdichten Treibmittelmaterial,
das durch hydrostatischen Druck, der häufig während der Durchlöcherung
von unterirdischen Formationen zu beobachten ist, nicht beeinträchtigt wird,
oder gegenüber beinahe
allen Flüssigkeiten,
insbesondere jenen Flüssigkeiten,
die in einem unterirdischen Schacht- oder Bohrloch zu finden sind,
nicht reagiert oder träge
ist. Vorzugsweise ist das Treibmittel ein ausgehärtetes Epoxidharz, eine Kohlenstoff-Faserzusammensetzung
mit einem eingebauten Oxidationsmittel wie jenes, das im Handel
von HTH Technical Services, Inc. in Coeur d'Alene, Idaho, erhältlich ist. Der Träger 222 enthält mindestens
eine Sprengladung 240, die in einer Öffnung 236 in dem
Treibladungsrohr 234 mit einer Klemme befestigt wird. Vorzugsweise
werden der Tandemzwischenteil 260, der starkwandige Stopfen 266 und
das Ladungsrohr 234 aus einem Material, das bei der Detonation
der Treibladungen 240 im wesentlichen zur Gänze auseinander
bricht oder zerfällt,
zum Beispiel dünnwandiger
Stahl, aus einem Material, das sich im wesentlichen auflöst, wie
zum Beispiel Kohlenstoff-Faser, eine Epoxidharzzusammensetzung,
oder aus einem Material besteht, das vollständig brennbar ist, wie ein
Epoxidharz, ein Oxidationstreibmittel ähnlich jenem, das für die Treibmittelhülse 290 verwendet
wird. Wenn mehr als eine Treibladung verwendet wird, können diese
vertikal entlang und winkelig um die Achse des Trägers angeordnet
werden. Die Ladungsdichte ist eine geeignete Dichte, die durch Verfahren
bestimmt wird, die den Fachleuten bekannt sind. Häufige Ladungsdichten liegen
zwischen 18 und 36 pro Meter (zwischen 6 und 12 pro Fuß). Die
Zündschnur 286 verbindet
einen Verstärkungstransfer
im Tandemzwischenteil 260 oberhalb des Trägers 222,
alle Treibladungen 240 und die Endabdeckung 268 im
starkwandigen Stopfen 266. Wie zuvor unter Bezugnahme auf
die in 7 dargestellte
Ausführungsform
besprochen, könnten
eine oder mehrere Kombinationen eines zusätzlichen Tandemzwischenteils
und ein zusätzlicher Treibladungsträger unterhalb
des Trägers 222 befestigt
werden. Die Zündschnur 286 würde dann
mit einem Verstärkertransfer
im Tandemzwischenteil 260 unterhalb jedes zusätzlichen
Treibladungsträgers verbunden
werden. In dieser Ausführungsform
wird die Entfernung eines Abschnitts des Geschützes aus dem Schacht 210 nach
der Detonation vermieden, da der Träger gezündet wird und das Ladungsrohr
bei der Detonation der Treibladung(en) 240 auseinander bricht
und/oder zerfällt.
Dieser Vorteil kommt besonders dann zum Tragen, wenn unterhalb des
Intervalls 216 der Formation, die durchlöchert wird,
ein sehr kleiner Raum – falls überhaupt – zur Verfügung steht.
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Die
Vorrichtung der seismischen Quelle der vorliegenden Erfindung, die
in 6 – 16 dargestellt wird und ein
Treibmittel verwendet, um seismische Energie auf unterirdische Formationen
zu übertragen,
kann in einen unterirdischen Schacht durch Rohrstränge oder
ein Drahtseil transportiert werden. Die erhöhte Festigkeit der Rohrleitung
im Vergleich zum Drahtseil ermöglicht
die Verwendung einer längeren
Treibladungs- und Treibmittelvorrichtung, wodurch im Rahmen eines
einzelnen Vordringens in einen Schacht ein längeres Intervall durchlöchert und stimuliert
werden kann. Eine Vorrichtung, die über Rohrleitungen transportiert
wird, ist auch mit der Verwendung von Dichtungsstücken vereinbar,
um einen oder mehrere Abschnitte des Schachts benachbart zu einem
oder mehreren Intervallen der Formation zu isolieren. Daher kann das
Verfahren dort angewandt werden, wo aus anderen Gründen gewünscht wird, den
Druck zu begrenzen, der auf einen anderen Abschnitt des Schachts
ausgeübt
wird, zum Beispiel in einem Schacht, wo eine oder mehrere andere
Zonen bereits abgeschlossen worden sind. Des weiteren gilt, daß für den Fall,
daß der
Schacht einen hohen Ablenkungswinkel von der Vertikale aufweist
oder horizontal ist, die Rohrleitung verwendet werden kann, um die
Treibladungs- und Treibmittelvorrichtung in den Schacht zu stoßen.
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Obwohl
die verschiedenen Ausführungsformen
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung als aus mehreren Bestandteilen
bestehend beschrieben und dargestellt wurden, die miteinander in
einer flüssigkeitsdichten
Beziehung verbunden werden, liegt es innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung, die Vorrichtung 20 oder 220 aus einem
integralen Stück
des Treibmittelmaterials herzustellen, das für den Fluß von Flüssigkeiten aus dem Schacht- oder
Bohrloch offen ist und in dem Treibladungen befestigt werden.
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Die
Vorrichtung für
eine seismische Quelle gemäß der vorliegenden
Erfindung ist insbesondere bei der Durchführung von umgekehrten vertikalen seismischen
Profilen (VSPs) und Querschnitts-Schachttomographien nützlich.
Die relativ lange Verbrennung des Treibmittels, d. h. Millisekunden,
in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt ein unterschiedliches
Ausmaß an
Scherwellen in Abhängigkeit
von den Abmessungen des Treibmittels. Schnell aufzeichnende Druck-,
Beschleunigungs- und Belastungsmeßgeräte wie jene, die von Instrumentation
and Engineering Services, Inc. in Mary Ether, Florida, erzeugt werden,
können
lochabwärts
in Verbindung mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, um Druck- und Beschleunigungsdaten für einen Vergleich mit den seismischen
und/oder akustischen Daten bereitzustellen, welche von der Detonation
des Treibmittels aufgezeichnet werden. Solche Daten stellen gemeinsam
mit Computermodellsoftware wie jener, die unter dem Warenzeichen
PulsFrac von John F. Schatz Research & Consulting, Inc. in Del Mar, Kalifornien,
verkauft wird, eine Basis für
die Modifizierung der Vorrichtung und des Treibmittels dar, um das
gewünschte
seismische Signal in bezug auf Bandbreite, Amplitude und Menge an
Scherwellen zu erhalten, welche erzeugt und auf die Formation übertragen
werden. Diese Computermodellsoftware für die Errechnung von dynamischen
Schachtloch- oder Bohrlochereignissen kann die Unter-Druck-Setzung
und Bewegung von Flüssigkeiten
innerhalb eines Schacht- oder Bohrlochs, so wie durch dynamische
Quellen wie feste Treibmittel, perforierende Ladungen, Zündschnur – oder eine
Kombination dieser Energiequellen – erzeugt, berechnen. Diese
Berechnungsmodelle errechnen die Menge an Energie, die auf ein nicht
verrohrtes Bohrloch angewandt werden kann, bevor es als Funktion
der unterschiedlichen geometrischen Konfigurationen der Energiequelle
zu einem dynamischen Zerbrechen des Felsens kommt. Ebenso können die
Berechnungsmodelle bei einem verrohrten Bohrloch dazu verwendet
werden, die Menge an Energie zu berechnen, die auf das Schacht-
oder Bohrloch angewandt werden kann, ohne daß es zu einem mechanischen
Versagen der Verrohrung kommt. In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung wird die Computermodellsoftware dazu verwendet, die gewünschte seismische
Energiequelle durch Auswahl der geometrischen Konfiguration des
Treibmittels vor der eigentlichen Durchführung von Arbeiten in tatsächlichen
Schacht- oder Bohrlöchern
zu erzeugen. Die schnell aufzeichnenden Druck-, Beschleunigungs-
und Belastungsmeßgeräte aus tatsächlichen
Feldarbeiten werden des weiteren dazu verwendet, die Genauigkeit
der Computermodellschätzungen
durch Vergleich dieser Daten mit den tatsächlichen Daten zu überprüfen. Als
Beispiel können
Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß eine Treibmittelhülse einer
bestimmten Dicke zuviel Energie erzeugt, was zu einem Versagen der
Verrohrung führen kann.
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Obgleich
die zuvor genannten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben und dargestellt wurden, versteht es sich, daß die vorgeschlagenen
und sonstigen Alternativen und Modifikationen an der Erfindung durchgeführt werden
können,
ohne über
den Umfang der Erfindung hinauszugehen.