DE2038546A1

DE2038546A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Schockwelle innerhalb einer geologischen Wassermasse fuer seismische Untersuchungen und schwimmfaehige Unterlage mit der Vorrichtung

Info

Publication number: DE2038546A1
Application number: DE19702038546
Authority: DE
Inventors: Raymond Muniz
Original assignee: Compagnie Generale de Geophysique SA
Current assignee: CGG SA
Priority date: 1969-08-01
Filing date: 1970-08-03
Publication date: 1971-02-18
Also published as: FR2055856A5; NO126501B; OA03461A; DE2038546B2; NL7011142A; NL170774B; DK126280B; US3712408A; GB1323317A; NL170774C

Description

PATENTANWÄLTE DR.-ING. WOLFF, H. BARTELS DR. BRANDES, DR.-ING. HELD

STUTTGART 1 30.7.1970.

LANGE STRASSE 51 TELEFONi (0711)»6310und297295

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 »

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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.

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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.

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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.

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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.

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-

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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.

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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 .

Es ist zu erkennen, daß die Implosion die weitaus überwiegende Erscheinung ist und daß die Implosionsschockwelle im wesentlichen störwellenfrei ist.

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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. ■ ' · -

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Claims

20 3 ο ο Α6 - 10 Patentansprüche

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

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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.

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