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Seismo-Pneumatische Energiequelle mit Gasblase und Sekundärschwingungs-Dämpfung
Die Erfindung betrifft eine Seismo-Pneumatische Energiequelle mit Gasblasen- und
Sekundärschwingungs-Dämpfung, die zur Eingabe seismischer Energie ins Wasser während
Explorationsarbeiten Verwendung findet, wobei zur Bereitstellung komprimierter Luft
und zur Aufnahme der Explorations-Mannschaft, die die Aufschlußarbeiten der unter
dem Meeres- See- oder Flußboden liegenden Erdschichten urid Formationen durchführt,
ein Schwimmfahrzeug dient. Insbesondere handelt es sich bei der Erfindung um eine
Seismo-Pneumatische Energiequelle, die eine Dämpfungseinrichtung zur Eliminierung
der sonst üblichen Gasblasen und zur Dämpfung der nachfolgenden Sekundärschwingungen
auSweist.
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Bei seismischen Vermessungsarbeiten, die über wasserbedeckten
Gebieten
ausgeführt werden, gibt es eine Reihe unterschiedlicher Verfahren zur Erzeugung
der seismischen Energie So werden z,B. Dynamit oder ähnliche Sprengstoffe zur Explosion
gebracht oder man verwendet Gasmischungen; weiterhin werden elektrische Funkenentladungen
zur lonisierung eines Teiles des die Elektrode umgebenden Wassers durchgeführt oder
zur Erzeugung eines starken seismischen oder Druckwellen-Signa7s eine Menge hochgespannter
1;uft unter Wasser plötzlich entspannt. Diese seismischen Signale werden von den
unterseeigen geologischen Formationen und Strukturen reflektiert und von Seismornetern
aufgefangen und aufgezeichnet.
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Bei allen gebräuchlichen Verfahren werden ein oder mehrere Detektoren
im Wasser im Bereich der Schallquelle positioniert um die von den verschiedenen
tieferliegenden Formationen und Strukturen reflektierten Signale auf zunehmen Die
aufgenommenen Signale werden von einer entsprechenden Einrichtung entweder in digitaier
oder analoger Form aufgezeichnet. Ebenso werden zeitweilig die Signals als veränderliche
Gebiets-Signale zur Erzeugung eines Profiles des vermessenen Gebietes aufgezeichnet.
Diese Aufzeichnung ähnelt Jener Aufzeichnung, die mit herkömmlichen Einrichtungen
für Tiefenmessungen durch geführt wird.
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Die vorgenannten seismischen Verfahren und Vorrichtungen weisen eine
Reihe unterschiedlicher Nachteile auf und keines dieser Verfahren eignet sich für
seismische Arbeiten unter den unterschiedlichsten
Bedingungen.
Die Handhabung von Explosivstoffen ist jedoch gefährlich, wobei durch diese Explosionen
jedesmal ein Teil der belebten Neereswelt zerstört wird.
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Bin weiterer Nachteil ist, daß man bei diesem Verfahren zwei schwimmfähige
Fahrzeuge benötigt; eines für den Abwurf des Dynamits und ein zweites, das mit der
Aufzeichnungs-Einrichtung ausgerüstet ist. Dadurch erhöhen sich die Vermessungskosten
sehr stark. Die Verwendung von Gasgemischen löst einige Rrobleme, die bei der Verwendung
von Dynamit auftreten, da explosible Gasgemische nicht ganz soviel der belebten
Meereswelt töten. Normalerweise können nicht explosible Gasgemische separat auf
dem gleichen Wasserfahrzeug gelagert werden, auf dem auch die Aufzeichnungs-Ausrüstung
angeordnet ist. Somit ist bei diesem Verfahren die Notwendigkeit eines zweiten Wasserfahrzeuges
und die Möglichkeit der Tötung der belebten Meereswelt eliminiert. Da ein Nachteil
dieser Gas-Schallquellen darin besteht, daß die flexiblen Behälter, in denen die
Detonation der explosiblen Gasgemische erfolgt, eine relativ kurze Lebensdauer aufweisen,
ist es von grund sätzlicher Schwierigkeit, die anwesende Umgebung zu erhalten.
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Bei der Verwendung von Schallquellen mit einer elektrischen Entladung
hat es sich als gebräuchlich erwiesen, eine Reihe von Kondensatorentladungen über
eine einzelne Elektrode oder über eine Anzahl. paralleler Elektroden und eine Erdungsplatte
zu entladen, wobei die Kondensatoren vorher auf einen Hoch spannungswert aufgeladen
werden. Bei Entladung der Kondensatoren
über die Elektroden und
die Erdungaplatte, bildet sich an jeder Elektrodenspitze eine Gasdruckblase, während
über die Erdungsplatte die- Rückführung der elektrischen Energie erfolgt. Die Gas-Druckblase
erzeugt den gewünschten seismischen Impuls, während die Erdungaplatte nichts zur
Größe der ausgehenden akustischen Welle hinzutut. Tatsächlich werden nur 3 - 5 %
der gesamten zur Verfügung stehenden elektrischen Energie der Kondensatoren-Reihe
in verwendbare akustische Energie umgewandelt. Wie aus der US-PS 3 613 823 hervorgeht,
können auch mehrere parallel angeordnete Elek troden benutzt werden.
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Bekannte Verfahren zur Dämpfung der Pulsation der Gasblasen bestehen
in der Verwendung einer metallischen Kugel, die auf ihrer Oberfläche in einem regelmäßigen
Abstand eine Anzahl Löcher aufweist, durch die die Explosion, welche im Imzeren
der Kugel durchgeführt wird, nach außen dringt, wobei die Kugel aus einem Material
gefertigt ist, das der Explosion standhält. Es ist jedoch ziemlich schwierig, solche
Kugeln mit ausreichender mechanischer Widerstandskraft zu bauen, die den wiederholten
Explosionen standhalten.
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Eine andere bekannte Vorrichtung weist einen Behälter mit einem federnden
Verschluß- und Öffnungsteil auf, das eine intermittierende Verbindung des Behälterinnenraumes
mit der den Behälter umgebenden Flüssigkeit erzeugt, so wie es in der US-PS 3 444
957 offenbart ist. Keines der vorgenannten Systeme
dämpft die Amplitude
der Gasblasen-Pulsation oder -Schwingung-jedoch ausreichend gut.
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Eine vorrangige Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Gasblasen
und ihre Wirkung beim plötzlichenAuslösen eines seismischen Impulses oder von Wellenenergie
oder von einer Unterwasserexplosion zu eliminieren.
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Weiterhin ist es eine vorrangige Aufgabe der Erfindung, die nachfolgenden
Signale oder Schwingungen, die dem gewünschten akustischen Anfangssignal der seismischen
Energiequelle folgen, zu dämpfen.
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Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Handhabung der Vorrichtung
unter Wasser oder in jedem anderen flüssigen Medium zur Erzeugung starker, wohldefinierter
akustischer Wellen, wobei die Gasblasen und die nachfolgenden Schwingungen eliminiert
sind, zu verbessern.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine seismo-pneumatische
Energiequelle mit Gasblasen-Eliminator und Signalschwiiigungs-Dämpfer zu schaffen,
die leicht zu bedienen ist, eine einfache Ausbildung aufweist, wirtschaftlich zu
erstellen und zusammenzubauen ist und von größerer Effektivität im Hinblick auf
die Eliminierung der Gasblasen unter Wasser und auf die Dämpfung der nachfolgenden
Signal-Pulsationen
oder Schwingungen ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung, aus denen sich weitere erfinderische
Merkamle ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt, wobei gleiche Bezugszahlen
korrespondierende Teile der verschiedenen Ansichten bezeichnen. Es zeigen: Fig.
1 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Pulsations-Damp.fer
kurz vor dem Abfeuern eines Impulses, Fig. 2 eine Schnittansicht der Vorrichtung
nach Fig.1, unmittelbar nach dem abfeuert bzw. Aussenden des Impulses, Fig. 3 eine
Schnittansicht einer modifizierten Vorrichtung. kurz vor dem Abfeuern eines Impulses,
Fig. 4 ist eine Schnittansicht nach Fig, 3 in aufgeblasenem Zustand, Fig. 5 eine
Aufzeichnung eines Kurvenverlauf es eines seismischen Tests, bei dem eine Luft-Kanone
bzw. seismo-pneumatische Vorrichtung verwendet wurde, die keine Dämpfungseinrichtung
aufweist und
Fig. 6 eine Aufzeichnung eines Kurvenverlauf es eines
seismischen Tests, bei dem eine Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet wurde.
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In Fig. 1 ist eine seismische Energie- oder Schall-Quelle (luft-Kanone)
10 gemäß der Erfindung dargestellt, die an einer Beine 11 unter Wasser entlang von
an der Wasseroberfläche gehaltenen Detektoren (nicht dargestellt) bei seismischen
Untersuchungen von wasserbedeckten Bereichen gesc-hleppt werden, wobei die Energie-Quelle
einen Pulsations-Dämpfer 12 aufweist. Während verschiedene Explosivstoffe, Funkenentladungen
usw. verwendet werden können, beinhaltet die bevorzugte Energie- bzw. Schall-Quelle
10 eine herkömmliche Luft-Kanone, wie sie z.B. unter der Fabrikationsnummer "Modell
1500t' von der Bolt Associates.Inc., Norwalk, Connecticut, USA, hergestellt wird,
wobei der seismische Impuls, bewirkt durch die welliörmige Energie, sich in radialer
Richtung von der JJuft-Kanone und einem nachfolgend näherbeschriebenen ersten ringförmigen
Raum ausbreitet.-Der Dämpfe 12 eliminiert die Auslösung einer Luftblase und dämpft
die nachfolgende Signal-Pulsation oder Schwingung, die dem anfänglichen akustischen
Signal-Impuls folgt, Mit der Buft-Eanone 10, die im vorderen Teil eines Gehäuses
13 befestigt ist, das eine Anzahl Leitdüsen 14 a zum Ausstoßen der komprimierten
Luft von der Luft-Kanone nach hinten aufeist, , ist ein erster Raum 15 des Dämpfers
12 mit dem rückwertigen
Teil eines Suft-Kanonen-Kolben 10 b und
dem Zyli.nderbereich 10 a verbunden. Der erste Raum 15, wie er speziell in Fig.
2 dargestellt ist, ist von ringförmiger Gestalt und weist eine nicht dehnbare, flexible
äußere Wand 16 auf, deren vorderes Ende 16 a mit dem Gehäuse 13 und deren rückwärtiges
Ende 1-6 b mit einem zweiten Raum 17 verbunden ist.
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Der erste Raum 15 ist von ringförmiger Gestalt und von einer flexiblen
äußeren Wand 16 umgeben, wobei die Anzahl der Beitiüsen 14 a des Gehäuses 13 sich
nach hinten erstrecken und auf diese Weise Öffnungen in der vorderen Wand des ringförmigen
Raumes bilden und wobei im rückwärtigen Teil des ringförmigen Raumes eine Anzahl
Öffnungen oder Durchbrüche 18a zur Verbindung mit dem zweiten Raum vorgesehen sind.
Sowohl die Leitdüsen 14a im vorderen Bereich des ringförmigen Raumes als auch die
Durchbrüche 18a im rückwärtigen Bereich derselben sind von der flexiblen Wand 16
verschlossen, wenn diese sich im inaktivierten Zustand befindet-, wie er in Fig.
1 dargestellt ist. Der zweite Raum 17 weist einen hinteren großen zylindrischen
Bereich 17a auf, der die Durchbrüche 18a beinhaltet, wobei sich der zylindrische
Bereich 17a vom ringförmigen ersten Raum und einem kl kleineren, weiter vorne gelegenen
zylindrischen Teil 17b, der den zentralen Bereich des ringförmigen Raumes ausfüllt,
erstreckt. Dieser weiter vorne gelegene und kleinere Teil 17b des Raumes 17 ist
an seinem vorderen Ende durch das Suft-Kanonen-Zylinderteil 10a verschlossen,
während
der hintere Teil über eine große Öffnung 19 mit dem vorderen Teil des rückwärtigen
Bereiches 17a des zweiten Raumes 17 kommuniziert. Mit dem hinteren Ende des Bereiches
17a ist eine Öffnung 20a und mit dieser eine Leistung oder Belüftung 20 verbunden.
Diese Belüftung 20 wird von einem Schwimmkörper 21 oder dergl. an der Wasser oberfläche
gehalten, so daß der zweite Raum 17 und damit gleichfalls der erste Raum 15 zu allen
Zeiten mit der AuBenatmosphäre in Verbindung stehen. tiber eine entsprechende Hochdruck-Luftleitung
22 wird die Buft-Kanone 10 gespeist.
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Das Diaphragma bzw. die äußere Wand 16-kann aus einem bewehrten Bunamaterial
hergestellt sein Die Fig. 2 zeigt den Dämpfer 12 in aufgeblähtem Zustand nach dem
Abfeuern einer Luftmenge, wobei diese expandiert ist und den ringförmigen ersten
Raum 15 ausgefüllt hat. Die Fig. 2 zeigt die Stellung der flexiblen Wand 16 und
den ersten Raum 15 unmittelbar nachdem die Luft-Kanone 10 den akustischen Anfangs-Signalimpuls
erzeugte. Die expandierende Ruft, die den ersten Raum 15 ausfüllt, strömt dur-ch
die Durchbrüche 18a in den größeren rückwärtigen zylindrischen Bereich 17a des zweiten
Raumes 17. Von dort strömt die expandierende Buft in den vorderen Teil 17b des zweiten
Raumes 17. Da die Luft aufgrund der Expansion sich in. diesem Raum bewegt und ebenso
aufgrund des Wasserdruckes dieser versucht, die flexible Wand 16 des ersten Raumes
zusammenzudrücken,
füllt die 1uft aus dem Raum 15 den Raum 17,
wobei die beiden Räume im wesentlichen von gleichem Volumen sind.
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Um Raum für eine zweite und nachfolgende Luftmenge zu schaffen, muß
der Druck in den Räumen 15 und 17 auf einen Wert erniedrigt werden, der gleich oder
kleiner ist als der statische Druck des Wassers in der speziellen Arbeitatiefe.
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Die Öffnung 20 a mit der Belüftung 20 zur Atmosphäre besteht ständig.
Für eine größere Effizienz der Belüftung zur Atmosphäre hin kann eine Vakuum-Pumpe
(nicht dargestellt) vorgesehen werden.
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Nachdem die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Luft-Kanone 10 einen
Impuls erzeugt hat, d.h., daß der Luft-Kanonen-Zylinder 10a augenblicklich geöffnet
wurde durch den sich schnell nach vorne bewegenden Luft-Kanonen-Kolben 10b , strömt
die expandierende Luft durch die Beitdüsen des Gehäuses in den ersten Raum 15 und
bewegt die flexible äußere Wand 16 aus der in Fig. 1 dargestellten Lage in die in
Fig. 2 dargestellte aufgeblähte Lage. Setzt sich die Expansion der Luft fort und
der Wasserdruck überwindet den inneren Druck der Zuluft auf die flexible Wand, bewegt
sich diese stufenweise in ihre zusammengefallene Lage. Gleichzeitig strömt die expandierende
Zuluft durch das rückwärtige Ende des ersten Raumes in den großen zylindrischen
Bereich 17a, von wo die Zuluft in den vorderen Teil 17b des zweiten Raumes und durch
die Belüftung 20 in die Atmosphäre strömt. Dieser Dämpfer nimmt wirkungsvoll die
Gasblase
auf und verhindert die Bildung einer Blase außerhalb der Luft-Kanone, die frei im
Wasser schwimmen kann und frei für Schwingungen oder Pulsationen ist, d.h. nach
dem ersten Expandieren überwindet der hydrostatische Druck außerhalb der Gasblase
den Gasblasendruck und den Bewegungsimpuls auf das nach außen strömende Wasser,
und beginnt die Gasblase solange zusammenzudrücken, bis der Druck in der Gasblase
so groß wird,- daß er den hydrostatischen Druck und den Impuls des Wassers überwindet
und die Gasblase erneut expandiert.
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Diese Expansion und Kontraktion der Gasblase im Wasser bewirkt die
nachfolgende Signal-Pulsation oder Schwingung und die schädlichen Schallimpulse,
die meist den Empfang deutlicher Daten von seismischen Aufzeichnungsgeräten stören.
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In den Fig. 3 und 4 ist eine zweite Ausbildung des Dämpfers 12a dargestellt,
wobei Fig. 3 eine herkömmliche Luft-Kanone 10c zeigt, die fertig zum Abfeuern eines
Signales ist. Die Luft-Kanone ist am vorderen Ende des Gehäuses 17a befestigt und
ein fester zylindrischer Raum 17c ist am rückwärtigen Ende des Gehäuses und der
Luft-Kanone vorgesehen. Ein erster Raum 15a mit einer flexiblen äußeren Wand 16a
ist ringförmig ausgebildet, um die Ladung von der Luft-Kanone 10a über Leitdüsen
14b aufzunehmen. Dieser ringförmige Raum ist dünner und gegenüber den analogen Raum
in der ersten Ausbildung relativ langgestreckter und stromlinienförmiger. Der zweite
feste Raum 17c bildet den inneren Teil des durch den ersten Raum 15 a gebildeten
Kreisringes. Im inneren rückwärtigen
Bereich der inneren Wand des
ersten Raumes sind Öffnungen 18b vorgesehen, durch die ein vorderer Teil 17d und
ein rückwärtiger Teil 17e im zweiten Raum gebildet wird, so daß die Luft aus dem
ersten Raum in den zylindrischen zweiten Raum strömt und zwar erst in den vorderen
Teil und dann in den hinteren Teil des zweiten Raumes, bevor die Luft über die Belüftungs-Öffnung
20b in die Atmosphäre strömt.
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Die Bedeutung der Dämpfung der Sekundär-Schwingung ist in der Tabelle
I dargestellt.
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Tabelle I 1. Versuch
| Primär-Impuls Schwingungs-Amplituden |
| Amplitude relativ zu "A" in (dB) |
| (beliebige |
| Größen) |
| A B1 B2 B3 B4 B5 |
| ohne Dämpfer 4873 - 3.97 -13.01 -17.65 -18.83 -21.22 |
| mit Dämpfer 2203 -11.20 -20.00 -33.79 - - |
| Differenz (dB) -6.73 - 7.23 - 6.99 -16.14 - - |
| ohne Dämpfer 28 - 2 -11 -23 - - |
| mit Dämpfer 14 -13 -29 - - - |
| Differenz (dB) -6 -11 -18 - - - |
Die Tabelle enthält zwei verschiedene Versuche, bei denen der Primär-Impuls in der
Spalte "A" in einer freigewählten Größe in jedem der beiden Versuche aufgezeichnet
ist, beidesmal für die luft-Kanone "ohne Dämpfer" und nachfolgend für die Luft-Kanone
"mit Dämpfer11. In den Spalten B1, B2, B3, B4 und B5 sind relativ zum Primär-Impuls
die den Primär-Impuls folgenden Sekundär-lmpuls-Amplituden aufgezeichnet, wobei
diese Werte jeweils von Scheitelvert zu Scheitelwert in dB aufgezeichnet wurden.
In der unteresten Reihe jedes Versuches ist die Differenz in dB entsprechend der
Dämpfungswirkung in jedem Versuch aufgezeichnet.
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In den Fig. 5 und 6 sind die Schwingungsverläufe von einem anderen
Versuch dargestellt, wobei im kartesischen Koordinatensystem die Amplitude des seismischen
Impulses auf der Ordinate und der Abstand zwischen den Impulsen auf der Abzisse
aufgetragen ist.
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Fig. 5 zeigt den Schwingungsverlauf ohne Dämpfung und Fig. 6 den Verlauf
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Arbeitsweise
der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausbildung ist analog der in den Fig. 1 und
2 dargestellten Ausbildung der Erfindung.