DE2038546A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Schockwelle innerhalb einer geologischen Wassermasse fuer seismische Untersuchungen und schwimmfaehige Unterlage mit der Vorrichtung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Schockwelle innerhalb einer geologischen Wassermasse fuer seismische Untersuchungen und schwimmfaehige Unterlage mit der VorrichtungInfo
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Description
PATENTANWÄLTE DR.-ING. WOLFF, H. BARTELS
DR. BRANDES, DR.-ING. HELD
STUTTGART 1 30.7.1970.
TELEX· 0722312
Reg.-Nr. 122 605/040875 eqc
COMPAGNIE GENERALE DE GEOPHYSIQUE, Paris 7 (Frankreich)
Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Schockwelle innerhalb einer geologischen Wassermasse für seismische
Untersuchungen und schwimmfähige Unterlage mit der Vorrichtung .
ORIGINAL »
1Q9808/US0
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Z^j ^ j -j, υ
Die Erfindung betrifft ein Verfahren aura Erzeugen einer Schockwelle innerhalb einer geologischen Wassermasse
für seismische Untersuchungen, bei dem in einer bestimmten
Tiefe im Innern der Wassermasse eine gewisse Menge unter Druck stehenden Gases plötzlich ausgestoßen wird,
insbesondere zum Erzeugen einer Schockwelle unter der Oberfläche des Meeres.
Eine solche Schockwelle wird herkömmlicherweise bei seismischen Untersuchungen der geologischen Struktur
des unterhalb der Wassermasse liegenden Bodens, z.B. des Meeresgrundes, angewandt.
Es sind einige Verfahren zum Erzeugen einer solchen Schockwelle bekannt. Ein Verfahren besteht beispielsweise
darin, daß unter Wasser eine Sprengladung zur Explosion gebracht wird. In einem anderen Verfahren,·das unter
der Bezeichnung "Luftkanonen"-Verfahren bekannt ist, wird eine gewisse Menge unter Druck stehenden Gases unter
die Wasseroberfläche gepreßt. Ein weiteres Verfahren
besteht darin, daß man einen Lichtbogen mit starker Spannung zwischen zwei versenkten Elektroden erzeugt. Es ist
auch vorgeschlagen worden, ein Leitelemerit zwischen den
Elektroden explodieren zu lassen.
Obgleich etliche dieser Verfahren heute laufend angewandt werden, weisen sie doch den Nachteil auf, daß neben
der erzeugten Hauptschockwelle infolge der verwendeten seismischen Quelle zwangsläufig auch sekundäre Störschwingungen
entstehen ("bubble effect"). Das Auftreten der Störschwingungen erschwert sehr die Auswertung der
reflektierten oder gebrochenen Wellen.
■ ' * ORIGINAL INSPECTED
109308/1450
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neues
Verfahren zur Erzeugung einer Schockwelle zu schaffen»
bei dem Störschv/ingungen weitgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe ist ausgehend von dem eingangs genannten bekannten Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß als Gas Wasserdampf verwendet wird, der r.aeh der
Entspannung durch die Abkühlung heftig kondensiert und dadurch eine Implosion verursacht, und daß mindestens
die durch diese Implosion verursachte Schockwelle für die seismischen Untersuchungen verwendet
wird.
Dieses Verfahren erweist sich in der Praxis als besonders
geeignet, weil dadurch eine Schockwelle erzeugt werden kann, die im wesentlichen frei von Störschwingungen
ist. Darin liegt der besondere Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gesättigter Wasserdampf, dessen SättigungstemperatuJt z.B. zwischen
150 und 37O°C liegt, verwendet werden. Es ist jedoch vorteilhafter,
überhitzten Trockendampf zu verwenden, und zwar beispielsweise einen auf eine Temperatur zwischen
250 und 45O°C überhitzten Trockenäampf, unter
einem Druck von 30 bis 75 kp/cm .
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens,- die dadurch gekennzeichnet
ist, daß sie eine Dampferzeugungsanlage und einen ortsveränderlichen und schwenkbaren Dampfinjektor aufweist,
in dem eine Dampfkammer vorgesehen ist, der ein Schnellsteuerventil zugeordnet ist, mittels dessen die Kammer plötzlich,
mit der sie umgebenden Wassermasse verbindbar ist.
109 8 0 8/U50
— 4 —
Weiterhin betrifft die Erfindung eine schwimmfähige Unterlage, insbesondere ein Schiff, eine schwimmfähige Arbeitsbühne
od.dgl.,mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Vorzugsweise wird im Injektor zwischen der Dampferzeugungsanlage und dem unteren Ende des Injektors, wo der
Ausstoß des Dampfes erfolgt, ein konstanter Dampfumlauf aufrechterhalten.
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles im einzelnen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer auf einem Schiff installierten erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt des Injektors der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm, das die durch das erfindungsgemäße
Verfahren erzeugte Schockwelle darstellt und in dem die Zeit T als Abszisse und der
Druck P als Ordinate aufgetragen sind.
In Fig. 1 ist mit 1 das Heck eines Schiffes bezeichnet, das für seismologische Untersuchungen ausgerüstet ist
und auf einer Wassermasse 2 schwimmt, in der eine Schockwelle in Punkt P erzeugt werden soll.
109808/U50
Zu der Vorrichtung gehört eine auf dem Schiff installierte Dampferzeugungsanlage 10 und ein Injektor 30, der
bewegbar und im Verhältnis zum Schiff schwenkbar montiert ist und der so ins Meer eingetaucht werden kann, daß
sein Ende sich nahe dem Punkt P befindet, an dem die Schockwelle erzeugt werden soll.
Die Anlage 10 weist einen Süßwasserbehälter 11 auf, der durch eine Leitung 12 mit einer Entmineralisierungsanlage
13 verbunden ist, in welcher dem Wasser aller Mineralgehalt entzogen wird. Das entmineralisierte Wasser
wird durch eine Leitung 14 einem Zwischentank 15 und von diesem durch eine Leitung 16 dem Kessel 17 zugeführt.
Zwischen dem Kessel 17 und dem Zwischentank 15 ist eine Rückflußleitung 18 vorgesehen. Der Kessel 17 ist vorteilhafterweise
ein Rohrkessel, in dem Dampf erzeugt werden kann,' dessen Sättigungstemperatur bei"275 C liegt. Vom
Kessel 17 wird der Dampf einem überhitzer 19 zugeführt, in dem er zu Trockendampf unter Druck (z.B. 400 C und
2
60 kp/cm ) überhitzt wird. Eine Leitung 20 verbindet den überhitzer mit der Einlaßöffnung A des"Injektors 30.
60 kp/cm ) überhitzt wird. Eine Leitung 20 verbindet den überhitzer mit der Einlaßöffnung A des"Injektors 30.
Der Injektor wird vorzugsweise ständig von Dampf durchströmt, der durch die Einlaßöffnung A einströmt und durch
eine Auslaßöffnung B ausströmt. . .... ....
Vorzugsweise wird zwischen der Einlaßöffnung B und dem Sußwasserbehälter 11 eine Rückleitung vorgesehen, zu
der eine Dampfleitung 21, ein Kondensator 22, in dem der zurückströmende Dampf kondensiert wird, und eine Wasserleitung
23 gehören. Vorzugsweise wird die Leitung 20 mit einem Schieber 24 versehen, damit die Dampfzufuhr
in den Injektor gesteuert werden kann. Durch eine Ablaß-
109808/U50
2C385A6
leitung 25, die mittels eines Schiebers 25a gesteuert wird, wird die Dampfaustrittsöffnung des Überhitzers
mit dem Kondensator 22 direkt verbunden.
Es ist leicht erkennbar, daß die vorstehend summarisch
beschriebene Anlage 10 es ermöglicht, jede beliebige Menge überhitzten Dampfes der Einlaßöffnung A des Injektors
30 zuzuführen, wobei der bei B aus dem Injektor ausströmende Dampf zurückgeleitet wird.
Es folgt die Beschreibung des Injektors 30 in einer bevorzugten Ausführungsform. Dabei wird auf Fig.'2 Bezug
genommen.
Der Injektor 30 weist zwei koaxiale Metallrohre 31 und 32 auf, die mit einer Wärmeisolierung 33, z.B. Glaswolle,
umhüllt sind, die ihrerseits- mit einem dichten Schutzmantel versehen ist. Ein Ende des inneren Rohres
31 bildet die Einlaßöffnung A des Injektors 30. Am der Einlaßöffnung A entgegengesetzten Ende ist das Rohr 31
mit einer sphärischen Kammer 34 verbunden und das Ende des Rohres 32 mit einer sphärischen Kammer 35,welche die
Kammer 34 umgibt. In der Wand der Kammer 34 befinden sich öffnungen 36, durch die das innere Volumen dieser
Kammer mit dem Volumen der sie umgebenden Kammer 35 verbunden ist. *
Am Ende des Injektors befindet sich ein Ventil 40, durch das das Innere der Kammer 34 mit einer blashornförmigen
Düse., 37 verbunden werden kann. Das Ventil 40 weist eine
am Ende einer Stange 42 angebrachte
/Klappe 41 auf, die mit einem Ventilsitz 43 zusammenwirkt. Die Stange 42 wird mittels eines ferngesteuerten
Schnellverstellsystems 50, z.B. von einem pneumati- sehen oder elektrischen Antrieb, bewegt.
109808/U50
Der Dampfumlauf zwischen Λ und B ist leicht erkennbar:
Wenn das Ventil 40 geschlossen ist/ strömt der bei Ά in den Injektor 30 eintretende Dampf durch das Rohr 31 in
die Kammer 34, von dort durch die öffnungen 36 in die Kammer 35 und zurück durch den ringförmigen Raum zwischen
den zwei Rohren 31 und 32 zur Auslaßöffnung B.
Wenn das Ventil durch das System 50 plötzlich geöffnet
wird, wird der in der Kammer 34 enthaltene Dampf durch die Düse 37 plötzlich ausgestoßen.
Die Arbeitsweise der vorgenannten Vorrichtung ist leicht zu verstehen: Da der Injektor 30 so angeordnet ist, daß
die Düse 37 in Punkt P, wo die Schockwelle erzeugt werden soll, einmündet, wird ein Dampfumlauf im Injektor
30 in der Weise hergestellt, daß die Kammer 34 ständig mit Trockendampf gefüllt ist» der beispielsweise auf
eine Temperatur zwischen 250 und 45O°C unter einem Druck zwischen 30 und 75 kp/cm Überhitzt ist.
Um die Schockwelle zu erzeugen, bewirkt man die plötzliche öffnung des Ventils 40,und zwar für eine sehr kurze
Öffnungsdauer, die z.B. zwischen 3 und 150 Millisekunden beträgt. Der in der Kammer 34 enthaltene Trockendampf
. wird dadurch bei Punkt P plötzlich ausgestoßen und bildet im Innern der Wassertasse ein Trockendampfvolumen
V (Fig. 1). Es tritt eine sehr schnelle Entspannung dieses Wasserdampfvolumens ein, das dann infolge der
durch die es umgebende Wassermasse bewirkte Abkühlung zu kondensieren beginnt. In einer sehr kurzen Zeitspanne,
nämlich von einigen Hundertstelsekunden vom Beginn der Entspannung an gerechnet, wird das Dampf/
Wasser-Gleichgewicht zwischen den Volumen V und dem es
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umgebenden Wasser schlagartig zerstört, und dadurch wird infolge blitzschneller Kondensation das fast
gleichzeitig eintretende Verschwinden des Volumens V bewirkt. Dieses Verschwinden löst eine Implosion aus,
bei der das umgebende Wasser plötzlich den Platz des Dampfes im Volumen V einnimmt. Durch diese infolge
Kondensation eintretende Implosion wird die Schockwelle erzeugt. Diese Schockwelle wird von keinen sekundären
Schockwellen begleitet, die die seismischen Messungen stören könnten: Die Anfangsentspannung des
Dampfes hat im Verhältnis zur Implosion meist nur eine unwesentliche Wirkung.
In einem typischen Beispiel verwendet man einen Injektor,
dessen Düse in einer Tiefe von 7 Metern unter dem Meeresspiegel angeordnet ist. Die Kammer 34 hat
ein Volumen von 30 dm . Der Ventilsitz 43 hat einen Dampfdurchgangsdurchmesser von 7 cm.- Der die Kammer 34
anfüllende Dampf ist Trockendampf mit einer Temperatur von 350 C unter einem Druck von 50 kp/cm . Die Öffnungszeit
des Ventils 40 beträgt 30 Millisekunden. Unter diesen Bedingungen beobachtet man in einer Entfernung von
einem Meter von der Düse (Fig. 3) eine Schockwelle, die zunächst einen schwachen Entspannungsimpuls D mit
2 einer Amplitude in der Größenordnung von 0,8 kp/cm aufweist und dann nach einer Zeitspanne t von 40 Millisekunden
eine Implosionsspitze I in der Größenordnung
2
von 40 kp/cm .
von 40 kp/cm .
Es ist zu erkennen, daß die Implosion die weitaus überwiegende Erscheinung ist und daß die Implosionsschockwelle im wesentlichen störwellenfrei ist.
109808/1ABO
2038 5A6
In der Praxis kann zur Registrierung der Schockwelle als zeitlicher Bezugspunkt der Augenblick des öffnens
des Ventils 40 genommen werden oder genauer der Augenblick ,in dem das Verstellsystem 50 betätigt wird. Man
kann zu diesem Zweck auch den Beginn der genannten Entspannung nehmen, so wie er z.B. von einem Unterwassermikrophon
60, das in der Nähe der Düse 37 angeordnet ist, wahrgenommen wird.
Es kann einfach gesättigter Dampf wie überhitzter Dampf ™
verwendet werden, wenn auch dem überhitzten Dampf der Vorzug zu geben ist. Ferner liegt im Rahmen.der Erfindung
- obwohl es gegenwärtig vorteilhaft erscheint, Schockwellen zu erzeugen, bei deren Entstehen die Implosionserscheinung
die weitaus überwiegende ist, damit eine praktisch störwellenfreie Schockwelle erzeugt
wird - den Implosionsvorgang in" Verbindung mit dem Entspannungsvorgang zu benutzen, um ei-ne Wellenkette zu
erzeugen, die besonderen Anforderungen bei seismischen Untersuchungen durch eine flüssige Hasse hindurch angepaßt
ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist nicht nur den wesentlichen
Vorteil auf, daß die Schockwelle nicht von Storschwingungen begleitet istj sondern es eignet
sich auch besonders gut für Untersuchungen in Gewässern von geringer Tiefe, da es überall dort anwendbar ist,
wo ein Wärmeaustausch zwischen Dampf und Wasser möglich ist. ■ ' · -
109808/USO
Claims (7)
1) Verfahren zum Erzeugen einer Schockwelle innerhalb einer geologischen Wassermasse für seismische Untersuchungen,
bei dem in einer bestimmten Tiefe im Innern der Wassermasse eine gewisse Menge unter Druck stehenden
Gases plötzlich ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Wasserdampf verwendet wird, der
nach der Entspannung durch die Abkühlung heftig kondensiert und dadurch eine Implosion verursacht, und
daß mindestens die durch diese Implosion verursachte Schockwelle für die seismischen Untersuchungen verwendet
wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
überhitzter Trockendampf verwendet wird.
3) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine
Dampferzeugungsanlage (10) und einen ortsveränderlichen und schwenkbaren Dampfinjektor (30) aufweist, in dem
eine Dampfkammer (34) vorgesehen ist, der ein Schnellsteuerventil (40) zugeordnet ist, mittels dessen die
Kammer (34) plötzlich mit der sie umgebenden Wassermasse verbindbar ist. ' '
4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfkammer (34) eine Düse (37) zugeordnet ist
und daß die Verbindung der Dampfkammer (34) mit der Düse (37) durch das Schnellsteuerventil (40) herstellbar
ist.
INSPECTED
1098ud/U60
203d5A6 - li -
5) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Injektor (30) zwei konzentrische Rohre (31, 32) aufweist, zwischen denen ein ringförmiger
Raum liegt, daß die Dampfkammerspeisung durch
das innere Rohr (31) erfolgt und daß der mit der Kammer (34) in Verbindung stehende Raum zwischen den
beiden Rohren zur Rückleitung des Dampfes dient, so daß der Dampf im Injektor ständig zirkuliert.
6) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dampferzeugungsanlage (10) einen SUßwasserbehälter (11), einen Kessel (17)
und einen überhitzer (19) zum Erzeugen des dem Injektor zuzuführenden Dampfes aufweist und daß eine Rückleitung
(21, 22, 23) mit einem Kühler vorgesehen ist, die das Kondensationswasser des vom Injektor zurückströmenden
Dampfes zum Wasserbehälter (11) zurückführt.
7) Schwimmfähige Unterlage, insbesondere Schiff, schwimmfähige Arbeitsbühne od.dgl., die eine Vorrichtung
nach einem der Ansprüche 3 bis 6 aufweist.
109Ö08/U50
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