DE2337588A1

DE2337588A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung seismischer wellen

Info

Publication number: DE2337588A1
Application number: DE19732337588
Authority: DE
Inventors: Clifford Douglas Dransfield; Philip William Wise
Original assignee: Atlantic Richfield Co
Current assignee: Atlantic Richfield Co
Priority date: 1972-09-06
Filing date: 1973-07-24
Publication date: 1974-03-14
Also published as: ES193994Y; RO65193A; NL7310365A; ZA735076B; HU169640B; CA996674A; DD106088A5; PL93306B1; FR2198154B1; SU634695A3; IE38042L; FR2198154A1; US3958661A; IT990319B; GB1408507A; AU5843273A; AU474876B2; SE388698B; IE38042B1; BG23765A3

Description

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Atlantic Richfield Company, Los Angeles CaI. / USA

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung seismischer Wellen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung seismischer Wellen.

Zur seismischen Erforschung von unterirdischen Formationen, beispielsweise unterhalb der Oberfläche der Erde, dem Bett

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eines Gewässers oder dergleichen sind zahlreiche Vorrichtungen entwickelt worden, mit denen seismische oder akustische Wellen erzeugt werden können* Bislang wurden seismische Wellen durch Detonation einer explosiven Ladung, beispielsweise Dynamit oder dergleichen, erzeugt, die man in ein an der gewünschten Wellenausgangsstelle eingebohrtes Loch anordnete* Die Wellen breiten sich von der Explosionsstelle ina Srdreioh nach aussen aus und werden an unterirdischen Formationen reflektiert, wobei die Reflektionen sich an der Oberfläche mittels eines oder mehrerer Seismographen oder anderen MesaInstrumenten für seismische Wellen erfassen und zur nachfolgenden Analyse aufzeichnen lassen. Die Verwendung einer explosiven Ladung ist jedoch mit verschiedenen unerwünschten Einschränkungen verbunden. So erfordert die spezielle verwendete Explosionsladung die strikte Einhaltung von Slcherheitsvorker-ungen, um aus Frühzündungen oder zufälligen Detonationen sich ergebende Unfälle zu vermeiden. Ferner werden gewöhnlich eine grosse Anzahl von Schüssen oder Explosionen benötigt, um eine ausreichende Aufzeichnung, zur Analyse zu erhalten. Dies bedeutet, dass eine grosse Anzahl von die Explosionsladungen aufnehmenden Bohrungen vorgesehen werden müssen. Das Bohren jedoch ist nicht nur kostspielig,sondern auch zeitaufwendig. Dennoch sind auf Dynamit- oder Explosionsladungsbasis beruhende Verfahren weiterhin allgemein in Verwendung, was insbesondere dadurch begründet ist, dass die sich ergebenden akustischen oder seismischen Wellen einem mathematischen Impuls gleichen, der sich in einfacher Weise mathematisch zur Schaffung einer aussagefähigen Information analysieren lässt. Derartige Informationen können beispielsweise die Art, Tiefe und Lokalisierung der unterirdischen Oberflächen und dergleichen sein.

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Seit kurzem jedoch liegt eine zunehmende Nachfrage nach mechanischen Vorrichtungen vor, um die traditionelle Verwendung von Dynamit oder anderen explosiven Ladungen zu umgehen. Bei einem relativ unkomplizierten derartigen System wird vorgeschlagen, schlicht ein grosses Gewicht fallen zu lassen, welches aufgrund seiner auf die Erde übertragenen kinetischen Energie zur Messung geeignete seismische Wellen erzeugen soll.

Andere kürzlich entwickelte Apparaturen, einschliesslich Gasexplosionseinrichtungen verwenden eine Hammerplatte mit grossem Durchmesser, die einen Teil einer Verbrennungskammer bildet. Solche Hammerplatten weisen typisch einen Durchmesser in der Grössenordnung von etwa 61 cm, 92 cm und teilweise sogar 180 cm auf, wobei ein relativ grosser Kolben oberhalb der Platten in der Kammer angeordnet ist. Die Hammerplatte wird gewöhnlich unmittelbar auf die Bodenoberfläche an der Stelle angeordnet, von der die seismischen Wellen aus erzeugt werden sollen; dabei wird der Kolben mit einem grossen Gewicht beaufschlagt. (In manchen Fällen wird die Vorrichtung unmittelbar auf dem Boden ohne An-ordnung einer grossen Masse auf dem Kolben gesetzt, so dass der Kolben nach erfolgter Explosion in die Luft abprallen kann.) Der Kolben wird kennzeichnenderweise gegen Druckleckverluste zwischen dem Zylinder und dem Kolben durch einen grossen O-Ring abgedichtet. Dann wird in die Verbrennungskammer zwischen der Hammerplatte und dem Kolben, die ein geringes Volumen aufweist, ein explosives Gas, wie beispielsweise Propan oder dergleichen, eingeführt, welches nach Zündung eine rasche Abwärtsbewegung

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der Hammerplatte hervorruft und damit Energie in den Boden eingebracht wird. Zur gleichen Zeit drängt die Verbrennungsexplosion den Kolben gewöhnlich 6.5 bis 38 mm oder mehr nach oben, wodurch ein auf ihm gegebenenfalls ruhendes Gewicht angehoben wird.

Sowohl beim Gasexplosions- als auch Fallgewichtsystem sind häufig Auffangvorrichtungen nötig, um sekundäre Stösse gegen die Erde zu vermeiden, welche unerwünschte Geräuschsignale erzeugen würden. Demzufolge können beispielsweise in Verbindung mit Fallgewichtvorrichtungen Systeme verwendet werden, die die Masse nach dem Anfangsstoss auf die Erde sichern und heben, so dass ein Aufprall der Masse oder ein andersartiges Wiederaufstossen auf den Boden verhindert wird. In ähnlicher Weise sind bei den Gasexplosionsvorrichtungen häufig Mechanismen eingebaut, welche die Prall-* oder Hammerplatte und die Reaktionsmasse auffangen, die, wenn nicht zurückgehalten, nach der Explosion aufprallen würden.

Gewöhnlich weisen die Fallgewicht>-und Explosionsgeneratoren zur Erzeugung seismischer Wellen eine relativ grosse Abmessung auf, wobei Gesamtgewichte von 900 bis 3·6θθ kg nicht ungewöhnlich sind. Da die Generatoren notwendigerweise über die interessanten Stellen transportiert werden müssen, werden sie häufig paarweise von den Seiten oder dem Ende eines Fahrgestellbettes herabgehängt, das sich zu den entfernten Prüfstellen bewegen lässt. Generatoren von derart grosser Abmessung und Gewicht werden gewöhnlich symmetrisch um eine gemeinsame Fahrgestellachse ausbalanciert, um die Belastung auszugleichen. So sind beispielsweise häufig zwei oder mehr Gasexplosionsgeneratoren

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symmetrisch an Streben an den gegenüberliegenden Seiten des Fahrgestells angeordnet, jedoch bedeutet dies nichts desto weniger eine wesentliche Einschränkung für die Manövrierfähigkeit des Fahrgestells.

Ein weiteres mit den gegenwärtig verwendeten Gasexplosionsgeneratoren und Fallgewichtsvorrichtungen verwendetes Merkmal besteht darin, dass ihr Einsatz im sumpfigen, lehmigen oder morastigen Gelände aufgrund des durch ihr grosses Gewicht bedingten Manövrierproblems schwierig ist und dass die grosse Platte nach Abfeuerung im weichen Untergrund einsinkt und wegen des erzeugten Soges nur sehr schwierig zu entfernen ist. Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht darin, ein längliches Bauwerk vorzusehen, welches keine grosse mit dem Boden in Berührung stehende Oberfläche bietet. Es wurden verschiedene längliche Bauwerke vorgeschlagen, obwohl bislang offensichtlich niemand den Vorteil erkannt hat, ein längliches Bauwerk in Lehm oder anderen morastigen Geländen einzusetzen. Ein fortgeschrittenes längliches Bauwerk ist die Rückprall-Seismoimpulskanone nach R.A. Peterson, wie in der US-rPatentschrift j5 283 844 beschrieben

Bei dieser Ausführungsform sind zwei Kolben in einem aufrechten vertikalen Zylinder angeordnet und zwischen diesen wird eine Gasexplosion erzeugt, die den einen Kolben nach oben in Reaktion zur Kraft des anderen Kolbens drückt, welcher nach unten auf eine Amboss- und Hammerplatte gedrückt wird. Die Kolben sind relativ schwer, weisen ein Gewicht von I.700 kg und 900 kg auf, während der Amboss ein Gewicht von etwa 454 kg hat. Die Prall- oder Hammerplatte, auf die der Amboss getrieben wird, hat ein Gewicht von etwa I.8OO kg. Somit liegt das Gesamtgewicht

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der Peterson Kanone In der Gegend von 5.000 kg. Es sei darauf hingewiesen, dass der Hub des 1.700 kg schweren Kolbens bei etwa 48 cm und der Hub des 9Ö0 kg schweren Kolbens in der Gegend von 56 om liegt.

Eire ähnliche- rückprall-ose Impulskanone wurde durch R.A. Klrby in der US-Patentschrift 3 215 223 vorgeschlagen, welche aktive und reaktive Kolben verwendet. Anstelle eine Ambosses_/ gegen den einer der Kolben getrieben wird, enthält die Kanone eine Kolbenstange, die mit einem der Treibkolben verbunden ist. Die Kolbenstange trägt aussenseitig des Kolbenzylinders eine Prallplatte. Die Kirbykanone ist ebenfalls relativ schwer, wobei der Kolben und die Welle alleine ein Gewicht von etwa 860 kg aufweisen.

Zahlreiche bislang verwendete Vorrichtungen zur Erzeugung seismischer Wellen benützen Ventilanordnungen, mittels denen das in die Vorrichtung eingeführte Gas oder der Brennstoff gesteuert wird. Gewöhnlich handelt es sich bei den Ventilen um Einwegventile, die eine Brennstoffströmung in einer einzigen Richtung in die Verbrennungskammer der Vorrichtung erlauben, jedoch verh-indem, dass das einmal in der Kompressionskammer befindliche Gas ausströmen kann. Die verwendeten Ventile sind relativ kompliziert, erfordern eine sorgfältige Überwachung und sind nicht ganz problemlos.

Zusätzlich zu einer beträchtlichen Wartungsanforderung für Einlassbrennstoffventile verwendende Vorrichtungen ist gewöhnlich auch für die meisten bislang eingesetzten Vorrichtungen anderweitig ein erheblicher Wartungsaufwand

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erforderlich. Wegen der enormen, durch die Explosionen innerhalb der Druckkammer erzeugten StOsSe_x von denen¹ nicht alle auf den Boden übertragen werden, wird ein Teil der Energie durch die Vorrichtung selbst und die sie umgebenden Elemente absorbiert. Selbst bei Vorrichtungen mit sehr kurzen Kolbenhüben im Bereich von etwa 6.4 mm oder mehr erzeugt die rasche Relativbewegung zwischen dem Kolben und der Wand der Druckkammer eine beträchtliche Reibungskraft und Wärme und ein beträchtlichem Verschleissen und Beschädigen von Teilen. Diese Situation wird ferner durch die hohen Gewichte der be-■ treffenden Bauteile weiter verschlimmert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung seismischer Wellen zu schaffen, mit der im wesentlichen die mit den herkömmlichen Anordnungen verbundenen Nachteile ganz oder zumindest teilweise vermieden werden. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen seismische Wellen in moorigem oder sumpfigem Gelände erzeugt werden können.

Erfindungsgemäss ist zur Lösung dieser Aufgabe ein seismischer Wellengenerator vorgesehen, der gekennzeich» net ist durch ein längliches erstes oben und unten verschlossenes Rohr, ein innerhalb dem ersten Rohr angeordneter Kolben, eine Kolbenstange mit einer Bohrung längs ihrer inneren Länge zum Ausleiten der Verbrennungsgase, auf der der Kolben getragen ist und die sich durch eine Bohrung im oberen Ende des ersten Rohres erstreckt, ein zweites durch den Kolben koaxial zum ersten Rohr getragenes Rohr zur Bildung einer Verbrennungskammer, ein

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Brennstoffleitungsrohr, das sich innerhalb der Kolbenstange bis etwa zur Mitte der Verbrennungskammer erstreckt, so dass bei Einführen eines Verbrennungskraftstoffes in die Verbrennungskammer durch das Brennstoffleitungsrohr und nach Zündung des Brennstoffs eine Kraft auf den Kolben in einer Richtung und eine Kraft auf das Rohr in entgegengesetzter Richtung aufgegeben ist und seismische Wellen bei Berührung des ersten Rohres mit der Bodenoberfläche erzeugbar sind.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Schaffung seismischer Wellen zeichnet sich dadurch aus, dass ein Gewicht über einer Oberfläche, an der die seismischen Wellen erzeugt werden sollen, aufgehängt wird und eine Verbrennungskraft auf das aufgehängte Gewicht so aufgegeben wird, dass dieses auf die Oberfläche zur Erzeugung der seismischen Wellen beschleunigt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein länglicher Zylinder mit einem zentral angeordneten Hohlraum vorgesehen und ein Kolben innerhalb des Hohlraumes angeordnet. Eine den Kolben tragende Kolbenstange wird an einem Befestigungsrahmen befestigt und ein Verbrennungskraftstoff innerhalb des Hohlraumes gezündet, um das längliche Rohr relativ zum Kolben über eine Wegstrecke zu bewegen, die etwa 3 mal dem Durchmesser des Kolbens entspricht.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Seitenaufriss der Vorrichtung zur Erzeugung seismischer Wellen, die durch einen Auffangmechanismus getragen ist.

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Pig. 2 eine seitliche Querschnittsansicht der Vorrichtung zur Erzeugung seismischer Wellen nach Pig. I

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemässe seismische Wellengenerator weist eine Gasexplosionsschiessanordnung 10 auf, die durch eine Auffanganordnung 11 getragen ist. Die Anordnung wird durch einen Rahmen 12 auf einem Bett \J> eines nicht dargestellten Fahrgestells, eines Fahrzeugs oder dergleichen gehalten.

Die Schiess- oder Kanonenanordnung 10 ist in Fig. 2 im Querschnitt gezeigt und enthält einen alles bedeckenen Zylinder 20, in dem eine Kolbenanordnung 22 enthalten ist. Obgleich der Zylinder 20 und die zugehörigen Teile in zylindrischer Konfiguration dargestellt sind und auch beschrieben werden, sei darauf hingewiesen, dass andere Formen und Konfigurationen in gleich vorteilhafter Weise mit den Wesensmerkmalen der Erfindung verwendet werden könne. Der Zylinder 20 wird durch ein Bodenteil 24 verschlossen, das mit der inneren Wand 21 des Zylinders 20 durch ein Trapezgewinde 26 verbunden ist, so dass ein grosser Widerstand gegenüber aufwärtsgerichteten Stosskräften auf das Bodenteil 24 relativ zum Zylinder 20 vorliegt. Das Bodenteil 24 wird,wie nachfolgend verdeutlicht, mit relativ hoher Energie in eine Oberfläche des Bodens eingetrieben oder eingedrückt und bildet zusätzlich einen Zylinderkopf für eine unmittelbar darüber stattfindende Explosion. Das Trapezgewinde verringert Irgendeine Tendenz der auf das Boden-teil 24 wirkenden Aufwärtskräfte, das Ende des Zylinders 20 nach aussen zu spreizen, was dazu führen würde,

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dass sich die enge Verbindung zwischen dem Bodenteil 24 und dem Zylinder 20 lösen würde. Da die auf das Bodenteil 24 ausgeübten Stosskräfte gross sind, ist die Quadratschulter des Trapezgewindes so angeordnet, dass bis zu einem weitestgehenden Ausmass den Kräften Widerstand entgegengesetzt wird. Zusätzlich kann das Ende 28 des Zylinders 20 um einen Winkel von beispielsweise 30°, wie dargestellt, abgeschrägt sein und eine zur Abschrägung passende überragende Lippe 30 kann am Bodenteil 24 vorgesehen werden, die sich gegen die Abschrägung 28 des Zylinders 20 dichtend abstützt. Somit werden sich die hohen Drücke, denen der Zylinder 20 und das Endteil 24 ausgesetzt sind, weniger dahingehend auswirken, dass die Zylinderwände nahe dem Boden ausgebeult oder gespreizt werden. Die Drehstellung des Bodenteils bezüglich des Zylinders 20 wird durch eine Vielzahl von Setzschrauben, wie die beispielhaft, gezeigte Setzschraube 32, aufrechterhalten, die sich durch das Bodenteil 24 erstrecken und mit der Anflächung 33 des Zylinders 20 in Berührung kommen oder in diese hineingreifen.

In ähnlicher Weise ist das obere Ende des Zylinders 20 durch ein Kopfteil 34 verschlossen, das, wie das Bodenteil 24, mit dem oberen Ende des Zylinders 22 durch ein Trapezgewinde 36 verbunden ist. Das Kopfteil 34 weist zusätzlich eine überhängende Lippe 38 auf, die mit dem abgeschrägten Ende 40 des Zylinders 20 in Eingriff steht.

Koaxial innerhalb des Zylinders 20 ist die Kolbenanordnung 22 angeordnet, die eine durch eine Kolbenstange 44 getragene Hauptkolbenmasse 42 umfasst. Wie dargestellt, kann die Kolbenstange 44 durch das Schweissmaterial 46

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oder auf andere Weise mit einem Plansch 47 verschweisst oder befestigt sein, der an der Kolbenmasse 42 angeschraubt ist. Die Kolbenstange 44 hat eine solche Länge, dass der Kolben 42 in der Mitte innerhalb des Zylinders 20 getragen wird, so dass oberhalb des Kolbens 42 eine erste Kompressionskammer 35 und unterhalb des Kolbens 42 eine zweite Kompressionskammer 36 innerhalb des Zylinders 20 gebildet werden. Nach unten von der Kolbenmasse 42 erstreckt sich in die untere Kompressionskammer 36 ein Zylinder 48 mit einem geringfügig kleineren Durchmesser als die Wand 21 des Hauptzylinders Der Zylinder 48 weist eine solche Länge auf, dass dessen Ende 50 sich nahe dem Bodenteil 24 dann befindet, wenn der Kolben 42 innerhalb der Kompressionskammer 56 eine ■Vorverbrennungsstellung einnimmt. Der Zylinder 48 ist durch das Schweissmaterial 52 mit dem Kolben 42 verbunden, so dass ersterer durch letzteren getragen wird. Zum Schwelssen können die oberen Kanten des Zylinders 48, wie auch die Kante, gegen die sich der Zylinder 48 abstützt, abgephast sein, so dass innerhalb einer V-förmigen Nut wie gezeigt eine Schweissmaterialmenge aufgenommen werden kann. Somit lässt sich das Schweissmaterial 52 so glatt endbearbeiten, dass es die Auf- und Abwärtsbewegung der Kolbenanordnung 22 nicht beelchträchtigt.

Längs der gesamten Länge der Achse der Kolbenstange 44 erstreckt sich ein innerer Hohlraumkanal 54, der mit einer Vielzahl von Auslasskanälen 56 nahe dem oberen Ende der Kolbenstange 44 in Verbindung steht. Innerhalb der Auslasskanäle 56 sind Stöpsel 49 mit Bohrungen 6l eingeschraubt, wobei der Bohrungsdurchmesser dieser Bohrungen 6l derart ist, dass die Abgase einem gewünschten Rückdruck ausgesetzt sind.

Eine Platte 58 mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen

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6o zwischen der inneren Kammer 54 der Kolbenstange 44 und der Verbrennungskammer J>6 umgibt den Hohlraum $k der Kolbenstange 44. Die Durchmesser der Bohrungen 60 sind so gewählt, dass auf die hindurchfliessenden Gase ein partieller Rückdruck ausgeübt wird, um ein in die Verbrennungskammer 36 eingeleitetes Gas bei einem gewünschten Verbrennungsdruck, wie nachfolgend im Detail beschrieben, zu halten. Die Platte 58 wird innerhalb der Kolbenmasse 42 durch den Abwärtsdruck der Kolbenstange 44 eingeschlossen und in ihrer Lage durch den angeschraubten Flansch 47 gehalten. Das obere Ende der Kolbenstange 44 wird durch ein oberes Teil 62 verschlossen, welches durch Schrauben 64 oder auf andere Weise an der Kolbenstange 44 angeschraubt oder befestigt werden kann. Um ein rasches Entweichen der Abgase durch die Bohrungen 56 zu vermeiden, was eine Gefahr für in der Nähe befindliche Personen bedeuten könnte, kann ein Schutzschild 57 in zweckmässiger Weise wie dargestellt angeordnet werden, durch das die Austrittskräfte des Abgases abgeleitet werden.

Durch das Verschlussteil 58 wird ein Brennetoffleitungs-

das
rohr 66 getragen, /feoaxial längs seiner Länge innerhalb der Verschlussteile 62 und 58 und der Kolbenstange 44 angeordnet ist und sich etwa mittig innerhalb der Verbrennungskammer 36 an seinem Ende 67 öffnet. Der mittige Auslass des Rohres 66 innerhalb der Verbrennungskammer 36 erleichtert das Ausspülen oder Entfernen von nicht gezeigten verbrauchten Verbrennungsgasen aus der Verbrennungskammer. Das Rohr ist an der Platte 58 ohne besondere Kennzeichnung der Schweissnähte angeschweisst und wird innerhalb einer O-Ringdichtung 69 aus Silikon oder dergleichen am oberen Ende 62 getragen. Wenn sich daher das Rohr 66 aufgrund

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beispielsweise der Hitze/dem es ausgesetzt ist, ausdehnt oder zusammenzieht, so kann dies frei innerhalb des O-Ringes

69 erfolgen. Das in die Verbrennungskammer 36 einzuleitende Gas kann Irgendein brennbares Gas, wie Propan, LP-Gas oder* dergleichen geeigneter Art sein. Das nicht dargestellt e Gas wird durch ein flelxibles Rohr 68 über einen Fitting

70 ins Innere des Leitungsrohres 66 geführt. Obschon komplizierte Brennstoffregulierventile für den Betrieb der Explosionskanone 10 nicht erforderlich sind, kann ein nicht dargestelltes Ventil angeordnet werden, um die Explosion der Verbrennungaioffe innerhalb der Verbrennungskammer 36 gegenüber den Brennstoffversorgungsbehältem zu isolieren. So kann ein derartiges Ventil eins der unidirektionalen Bauweise sein, so dass dem durch das Ventil in Richtung der Verbrennungskammer 36 strömenden Gas kein Widerstand entgegengesetzt wird, während durch das Ventil in Richtung weg von der Verbrennungskammer strömendes Gas Widerstand geleistet wird.

Um die Realtivbewegung zwischen dem Zylinder 20 und der Kolbenanordnung 22 zu erleichtern und zwischen den oberen und unteren Kompressionskammern 35 bzw. 36 eine Druckisolation zu schaffen, sind Metallflächen oder -ringe 72 und 74 vorgesehen. Die Metallflächen 72 und 74 sind längs des Umfangs des Kolbens 42 und des Zylinders 48 durchgehend/ und,wie gezeigt, ist ein derartiges Organ am Zylinder 48 nahe dessen unterem Ende 50 und ein anderes am Kolben 42 nahe dessen oberem Ende angeordnet, wobei beide sich natürlich auf der Innenwand 21 des Zylinders 20 abstützen. Die Organe 72 und 74 können aus Siliziumbronze oder anderen derartigen Materialien bestehen, die den durch den relativ

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langen Weg der Kolbenanordnung 22 erzeugten auf- und abwärtsgerichteten Reibungskräften widerstehen können.

Um zusätzlich die Kolbenanordnung 22 gegenüber der oberen Kammer 35 und der Verbrennungskammer 36 abzudichten, sind zwei dynamische Dichtungen 76 und 78 in den betreffenden Nuten 80 und 82 nahe dem unteren Ende des Zylinders 48 und dem oberen Ende des Kolbens 42 angeordnet. Die Dichtungsringe 76 und 78 können aus im wesentlichen U-förmig gestalteten Elementen bestehen, die durch eine nicht dargestellte Feder oder dergleichen innerhalb des U¹s nach aussen unter Vorspannung stehen und sich so auf der Innenwand 21 des Zylinders 20 abstützen. Die Dichtungen können zusätzlich ein oder mehrere vorstehende Rippen, wie dargestellt, längs ihrer Länge aufweisen, so dass die betreffenden Wände, auf denen die Teile vorgespannt drücken, weiter in Eingriff gebracht werden und dadurch der Dichtungseffekt verbessert wird. Die Dichtungen 76 und78 sollten ferner aus einem zähen, widerstandsfähigen Material bestehen, um der Wärme und den Reibungskräften innerhalb des Zylinders 20 Widerstand zu leisten. Es wurde festgestellt, dass sich für diesen Zweck ein Material, wie beispielsweise ein mit Graphit imprägniertes Polytetrafluoräthylen eig-net. Solche Dichtungen sind handelsüblich verfügbar.

Um die inneren Hohlräume des Zylinders 20 weiter abzudichten, kann eine der zuvor beschriebenen dynamischen Dichtung ähnliche statische Dichtung, wie beispielsweise die gezeigte Dichtung 84, im Basisteil 24 angeordnet werden. In gleicher Weise sind innerhalb des oberen Teils J>k zur Abdichtung der oberen Kammer 35 statische Dichtungen 86

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und 88 vorgesehen.

Um weiter¹ die Auf- und Abwärtsbewegungen der Kolbenstange 44 innerhalb des Zylinders 20 zu erleichtern, ist ein Lager 90 in der Bohrung 4j5 des oberen Teils Jk vorgesehen, durch das sich die Kolbenstange 44 erstreckt. Das Lager 90 kann aus Bronze oder einem anderen geeigneten nicht porösen Lagermaterial bestehen.

Wegen der inneren und äusseren Drücke und der Kräfte, denen die Gasexplosionskanone ausgesetzt ist, werden deren verschiedene Teile aus dauerhaften festen Materialien gefertigt. Beispielsweise können die oberen und unteren Teile 24 und j4 aus rostfreiem Stahl Typ 17-4 PH und der Zylinder 20 aus einem kaltgezogenen Stahlrohr Typ 1018 bestehen. Das Gasleitungsrohr 66 kann aus einem 5-16 rostfreien Stahlrohr mit einem Aussendurchmesser von beispielsweise 147 cm gefertigt werden .

Da die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens über seinen langen Weg zahlreich wiederholt erfolgen kann, kann die Innenwand 21 des Zylinders 20 bis zu einem relativ feinen Finish,beispielsweise bis auf 0.254 oder 0.508 mm längs der Länge des Zylinders 20 geho nt werden. Um weiter die durch den Kolben 42 und den Zylinder 48 erzeugte Auf- und Abwärtsreibung zu reduzieren, kann die gesamte Kolbenanordnung mit einem Molybdändisulfidauftrag behandelt werden. Der Auftrag wird aufgegeben und für einige Stunden vor Einsetzen der Kolbenanordnung 22 an Ort und Stelle belassen, so dass er sich mit dem Material der Teile der Kolbenanordnung verbindet. Zusätzlich kann nach erfolgter Verbin-

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dung des Molybdändisulfidauftrags die Kolbenanordnung 22 mit einem Fett beschichtet werden, welches sich mit dem Silikon der Organe 72 und 74 verträgt; ein derartiges Fett ist, beispielsweise ein Fluorosilikonfett. Ein Reservoir für das Fett ist durch den Schlitz 92 geschaffen, der längs des Umfangs der Kolbenmasse 42 ausgebildet ist. Da die Vorrichtung als ganzes wie eine Gesamtanordnung abgedichtet werden kann, lässt sich eine durch die Wand 20 erstreckende Bohrung 94 vorsehen, durch die das Fett in das Reservoir 92 des Kolbens 42 eingeführt oder eingedrückt werden kann, sofern sich die KolbenanOrdnung 22 in einer nicht dargestellten angehobenen Stellung befindet.

Das Gesamtgewicht der Vorrichtung beträgt mit den ver* schiedenen Vorrichtungsteilen aus den genannten Materialien und bei einer Grosse von 25.4 cm Durchmesser und einer Länge von 153 cm etwa 270 kg. Somit lässt sich dieses Gewicht und die Abmessung in einfacher Weise bewegen und handhaben. Darüber hinaus erfordert die Vorrichtung wegen der Dichtungen,Schmierstoffe und anderen Materialien und wegen der einfachen Vorsehungsmöglichkeit von zusätzlichen Schmierstoffmaterialien nur eine geringe Wartung oder Instandhaltung.

Die Kanone 10 lässt sich durch einen geeigneten Träger, wie beispielsweise die Fanganordnung 11, gemäss Fig. 1, halten. Die dargestellte Fanganordnung 11 kann auf einem Bett 100 eines Fahrgestells oder dergleichen durch einen drehbar auf Drehachsen 104 oder dergleichen getragenen Rahmen 12 angeordnet werden. Der Rahmen 12 weist aufrechtstehende Stützelemente 102 und 103 auf, die miteinander durch ein Kopfelernent 105 und mit den Drehachsen 104 durch ein Boden-

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querälement ΙΟβ verbunden sind. Die Kopf- und Bodenelemente 105 und ΙΟβ werden durch zwei parallel liegende U-Profile 108 und 110 zweckmässigerweise aus U-Eisen oder dergleichen verbunden. Zwischen den Profilelementen I08 und 110 ist eine· Befestigungsanordnung für die Kanone 10 angebracht und diese Befestigungsanordnung lässt sich zwischen den parallelen Profilelementen I08 und 110 auf- und abbewegen. Die Befestigungsanordnung weist ein unteres vorderes Rahmenelement 112 auf, in dem Räder 114 und 116 in Verbindung mit einem entsprechenden nicht dargestellten, unteren hinteren Rahmenelement gelagert sind, so dass die Räder innerhalb des U-profils der Profilelemente 110 bzs. I08 ablaufen können. In gleicher Weise ist ein oberes Rahmenelement 118 (das entsprechende obere hintere Rahmenelement ist nicht gezeigt) durch Stützen 120 mit dem unteren Rahmenlement 112 verbunden und mit drehbar gelagerten Rädern 122 und 124 versehen. Die Teile des oberen Rahmenelementes 118 erstrecken sich über die Elemente I08 und 110 hinaus, so dass die oberen Teile von Stossdämpfern 130 und I32 in schwenkbarer Anlenkung I38 und l40 aufgenommen werden können. Die unteren Teile der Stossdämpfer I30 und 1J2 sind drehbar selbstausrichtend und durch Schrauben 134 und I36 mit den abstehenden Ansätzen 126 und 128 verbunden.

Die Stossdämpfer lj50 und Ij52 können eine Sonderfertigung darstellen, um den auf sie wirkenden Aufwärtskräften wenig oder keinen Widerstand entgegenzusetzen, während bei abwärtsgerichteten Kräften eine Dämpfungswirkung, wie nachfolgend beschrieben, ausgeübt wird.

Das untere Rahmenteil 112 kann durch Schrauben II3 oder dergleichen mit dem oberen Teil 62 (vgl. Fig. 2) der Kolbenstange 44 der Kanonenanordnung 10 verbunden werden.

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Wie zuvor beschrieben, arbeiteten die weitverbreiteten Gasexplosionsvorrichtungen bekannter Bauweise mit einer grössen Platte oder Masse, die in unmittelbarer Berührung mit der Oberfläche des Bodens steht, von dem aus die seismischen Wellen erzeugt werden sollen. Es wurde Jedoch beobachtet, dass seismische Wellen höherer Grössenordnung durch den sekundären Stoss oder Aufprall von Vorrichtungen erzeugt werden, die auf den Boden frei herabfallen. Dieser sekundäre Stoss ist in der Tat in vielen Fällen grosser als der primäre Stoss. Es wurde daher festgestellt, dass sich seismische Wellen sehr wirkungsvoll dadurch erzeugen lassen, dass man eine Masse auf den Boden beschleunigt und hierdurch sowohl einen sekundären Stoss einer Gasexplosionskanone und einer fallenden Masse simulieren kann, ohne dass jedoch das raumgreifende Volumengewicht und die anderen Handhabungsprobleme von Fallgewichtssystemen vorliegen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Kanonenanordnung 10 liegt darin, dass sie in irgendeiner gewünschten Höhe über dem Boden, z.B. in einer Höhe von 15.2 bis 20.4 cm oder wenn erwünscht auf dem Boden ruhend, angeordnet werden kann.

Beim Betrieb wird die Kanonenanordnung 10 beispielsweise 15.2 oder 20.4 cm über der Oberfläche angeordnet, an der die akustischen oder seismischen Wellen erzeugt werden sollen. Über das Rohr 68 und durch das Gasleitungsrohr 66 wird eine Menge Verbrennungskraftstoff oder Gas (nicht gezeigt) annähernd mittig in die Verbrennungskammer 36 eingeführt. Beim Einströmen des Gases in die Verbrennungskammer 36 werden innerhalb derselben vorhandene Gase, wie beispielsweise verbrauchte Abgase,aus einer vorhergehenden Verbrennung oder dergleichen aus der Verbrennungskammer

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durch die Bohrungen 6o in der Abschlussplatte 58, durch den Hohlraum 54 und durch die Auslassbohrungen 61 ausgestossen. Wegen des auf die Gase innerhalb der Verbrennungskammer 36 durch die Bohrungen 6l der Stöpsel 59 ausgeübten Rückdruckes, kann ein gewünschter Gasdruck zur Verbrennung erzielt werden.

Wenn der Verbrennungskraftstoff in die Verbrennungskammer 36 in erwünschter Menge und Druck eingeführt ist, wird der Kraftstoff nahe dem oberen Ende des Gasleitungsrohrs 66 oder sonst wo längs der Länge des Einlassrohres 68 oder an einem anderen nicht gezeigten Zündpunkt gezündet. Die Verbrennung durchläuft das flexible Rohr 68 und das Gasleitungsrohr 66 und zündet den innerhalb der Verbrennungskammer 36 befindlichen Kraftstoff. Die Verbrennung der Gase führt selbstverständlich zu einer Expansion derselben, so dass auf das Bodenteil 24 des Zylinders eine abwärtsgerichtete Kraft ausgeübt wird. Da das Bodenteil die gesamte Masse von Zylinder 20 und Bodenteil 24 in Berührung mit dem Erdboden I42,vergl. Fig. 1, trägt, wird auf diese Weise eine akustische oder seismische Welle 144 im Erdboden erzeugt.

Zur gleichen Zeit bewegt sich in betragsmässig gleicher und entgegengesetzter Reaktion zu der Kraft des abwärtssich bewegenden Zylinders 20 die Kolbenanordnung 22 nach oben, wobei der Fangmechanismus 11 und seine unidirektional wirkenden Stossdämpfer lj50 und Ij52 praktisch keinen Widerstand entgegensetzen. Der Kolben 42 wird jedoch daran gehindert, gegen das obere Teil 34 des Zylinders 20 anzustossen, da das Gas innerhalb der Kammer 35 über der Kolbenmasse 42 bei Aufwärtsbewegung der Kolbenanordnung 22 innerhalb des Zylinders 20 zunehmend unter Druck gesetzt wird und damit den Kolben bremst.

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Durch das obere Teil 34 des Zylinders 20 erstreckt sich weiter ein Gaseinlasskanal 95/ durch den ein zusätzlicher Gasdruck innerhalb der Kammer 35 aufrechterhalten werden kann. Das speziell verwendete Gas kann Stickstoff oder ein anderes nicht brennbares oder brennbares oder entzündbares Gas sein. Darüber hinaus wird, da das Gas in der Kammer 35 aufrechterhalten bleibt, nach der Verbrennung innerhalb der Kammer 36 durch das unter zunehmendem Druck innerhalb der Kammer 35 stehende Gas auf das obere Teil 34 des Zylinders 20 ein aufwärtsgerichteter Druck ausgeübt, welcher die gesamte Zylindermasse anhebt.

Die Art und Weise des Aufstossens des Zylinders 20 auf den Erdboden wird folglich bedeutend durch die Lage der Kanonenanordnung 10 oberhalb des Erdbodens, wie auch durch den Druck des Gases innerhalb der Kammer 35 über dem Kolben 42 beeinflusst. So werden die Vorzündungshöhe des Zylinders 20 über dem Erdboden und der Druck innerhalb der Kompressionskammer 35 so ausgewählt, dass sich der Zylinder 20 nach seinem Anfangsstoss hebt, um durch den Auffangmechanismus 11 aufgefangen zu werden. Dadurch werden sekundäre Stösse auf den Erdboden 142 vermieden und ein seismisches Signal erzeugt, welches weitgehend exakt einem mathematisch definierten Impuls gleichkommt.

Nach Abfeuerung befindet sich der Auffangmechanismus 11 in einer nach oben ausgefahrenen nicht dargestellten Stellung und die Därapfwirkung der Stossdämpfer I30 und 132 kommt dergestalt zur Wirkung, dass die gesamte Anordnung langsam in die Stellung nach Fig. 1 abgesenkt wird. Darüber hinaus hebt das innerhalb der Kammer 35 befindliche Druckgas die Lage des Zylinders 20 um die Kolbenanordnung 22 an, so dass ihre relativen Stellungen gemäss Fig. 2 beigehalten

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werden. Wegen der relativ kleinen Abmessung des Zylinders 20 lässt sich die Kanonenanordnung 10 bequem für seismische Untersuchungen in sumpfigem, lehmigem oder morastigem Gelände einsetzen. Da die Kanone keine einschneidende Oberfläehe bietet, sondern eine wesentliche Aufschlagoberfläche hat, kann sie problemlos in den Morast eingedrückt werden und aus der teilweise eingetauchten Stellung abgefeuert werden. Wegen des geringen Durchmessers des Bodenteils 24 lässt sich dieses aus dem Morast wieder einfach entfernen.

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Claims

Patentansprüche

I.) Seismischer Wellengenerator, gekennzeichnet durch ein längliches, am oberen und unteren JEnde geschlossenes erstes Rohr (20), einen innerhalb des ersten Rohres angeordneten Kolben (22), eine Kolbenstange (44) mit einer längs ihrer inneren Länge sich erstreckenden Bohrung (54) zum Auslassen von Verbrennungsgasen, wobei der Kolben auf der Kolbenstange getragen ist und sich die Kolbenstange durch eine Bohrung im oberen Ende des ersten Rohres erstreckt, ein zweites, durch den Kolben koaxial zum ersten Rohr getragenes Rohr 48 zur Bildung einer Verbrennungskammer innerhalb desselben, ein sich innerhalb der Kolbenstange bis etwa zur Mitte der Verbrennungskammer erstreckendes Brennstoffleitungsrohr 66, so dass bei Einführen eines Verbrennungskraftstoffes in die Verbrennungskammer und nach Zünden des Brennstoffs auf den Kolben eine Kraft in eine Richtung und auf das Rohr eine Kraft in entgegengesetzter Richtung ausgeübt ist, wodurch seismische Wellen bei Berührung des ersten Rohres mit der Erdbodenoberfläche erzeugt sind.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i ch η e t , dass das Verhältnisdes Durchmessers des Kolbens zur Länge der Kolbenwege etwa 1 : 3 ist.

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3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Passage(95)zum Einführen eines Gases in das erste Rohr oberhalb des Kolbens, wobei der Gasdruck bei Aufwärtsbewegung des Kolbens erhöht wird, um die Aufwärtsbewegung des Kolbens abzubremsen und den Kolben in Bezug auf das erste Rohr in einer Vorverbrennungsstellung unter Vorspannung zu setzen.
4. Generator nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet, durch zwei Tragflächen, von denen die eine den Kolben nahe dessen oberem Ende in Nachbarschaft zur inneren Wand des ersten Rohres umgibt und die andere das zweite Rohr an einer vom Kolben abgelegenen Stelle in Nachbarschaft zur Innenwand des ersten Rohres umgibt, so dass der Gasfluss zwischen dem Kolben und dem zweiten Rohr und der Wand des ersten Rohres verringert ist, wenn sich der Kolben und das erste Rohr relativ zueinander bewegen.
5. Generator nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zwei Einrichtungen zum Abdichten des Gasflusses, wobei eine Einrichtung innerhalb einer den Kolben oberhalb der Tragfläche umgebenden Nut und die andere innerhalb einer das zweite Rohr unterhalb der betreffenden Tragfläche umgebenden Nut angeordnet sind.
6. Generator nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung eine kreisförmig geschweisste Feder umfasst, die durch ein U-förmiges Element aus Polytetrafluoräthylen umgeben

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ist und sich gegen die Wand des ersten Rohres abstützt.
7. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslasskanal ausserhalb der Kolbenstange an einer Stelle derselben ausseitig des ersten Rohres vorgesehen ist.
8. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzei chnet durch eine Einrichtung zum unabhängigen Aufhängen der Kolbenstange.
9. Verfahren zum Betätigen des Generators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Erzeugen von seismischen Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr oberhalb einer Oberfläche angeordnet und eine Verbrennungskraft auf das so angeordnete Rohr aufgegeben wird, um dieses auf die Oberfläche zur Erzeugung seismischer Wellen zu beschleunigen.
10. Verfahren nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen des ersten Rohres ein Anordnen des Kolbens und ein Einführen eines Gases in den Hohlraum des ersten Rohres an der Seite des Kolbens umfasst, die gegenüber der Kolbenseite liegt, wo der Verbrennungskraftstoff eingeführt wird.

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