DE2621782A1 - Druckimpulsgenerator - Google Patents

Description

PATENTANWALT

HELMUT GORTI

6 Frankfurt am Main 70
Schneckenhofstr.27 -Tel. 617079

14. Mai 1976 Gzk/Ra.

Bolt Associates, Inc., Norwalk, Connecticut 06854 / USA

Druckirapulsgenerator

Die Erfindung betrifft eine seismische Impulsenergiequelle, die bei Tieflochbohrungen verwendet wird, und insbesondere einen mit Druckgasentladungen arbeitenden Druckimpulsgenerator, der in schmale Bohrlöcher eingeführt werden kann, um dort seismische Impulse durch plötzliches Freisetzen von unter hohem Druck stehendem Gas zu erzeugen.

Für seismische Untersuchungen und ähnliche Anwendungsfälle ist es erforderlich, abrupte seismische Impulse tief in engen Bohrlöchern zu erzeugen. Für seismische Untersuchungen v/erden kräftige Impulse im Boden in Bohrlöchern erzeugt und dazu verwendet, geologische Zustände und Formationen unter der Erdoberfläche zu erforschen. Zu anderen Anwendungsfallen, bei denen die plötzliche Freigabe von Druckgas benutzt wird, um abrupte kräftige Impulse in einem Bohrloch zu erzeugen, können beispielsweise Testvorgänge und Signalvorgänge gehören sowie andere praktische Anwendungsfalle, die möglicherweise erst in Zukunft noch v/ei te r entwickelt werden, wenn die technische Entwicklung in diesem Gebiet fortschreitet.

Das Bohren von Bohrlöchern in den Boden für seismische Untersuchungen ist sehr teuer und die Kosten für die Bohrung und die Kosten für die Bohrwerkzeuge erhöhen sich rasch, wenn die Bohr-

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lochdurchmesser über 7,6 cm (3 Zoll) ansteigen. Aus Kostengründen ist es daher erwünscht, den Bohrlochdurchmesser auf 7,6 cm (3 Zoll) zu beschränken.

Der hier verwendete Begriff "Druckgas" soll jedes unter Druck stehende Gas oder jedes unter Druck stehende Gemisch von Gasen umfassen, die in einem Druckgas-Impulsgenerator verwendet werden können, beispielsweise komprimierte Luft, komprimiertes Kohlendioxid, komprimierter Stickstoff, komprimierter Dampf und dergleichen. In vielen Fällen ist es leichter und billiger, komprimierte Luft zu verwenden, die von einem fahrbaren Kompressor oder von ortsbeweglichen Tanks geliefert wird; daher wird Luft als zu verwendendes Druckgas bevorzugt. In bestimmten Fällen, beispielsweise wenn anzunehmen ist, daß das Bohrloch brennbare Dämpfe oder Gase enthält, kann es erwünscht sein, ein nichtbrennbares Gas zu verwenden, beispielsweise Kohlendioxid oder Stickstoff. Als "unter Druck stehend" soll in diesem Zusammenhang ein Druck verstanden werden, der wesentlich über dem Atmosphärendruck liegt, beispielsweise in dem bevorzugten Druckbereich von 35 kp/cm (500 p.s.i.) bis 380 kp/cm (4000 p.s.i.), wobei aber gelegentlich auch höhere oder niedrigere Drücke des Druckgases verwendet werden können.

Druckgas-Impulsgeneratoren (auch "airgun" genannt), die für die Verwendung für seismische Untersuchungen unter Wasser in Mooren, Sümpfen oder im Schlamm verwendet werden können, sind in der US-PS 3 808 822 des Anmelders beschrieben. In den US-PS«en 3 707 848 und 3 793 844 sind Verfahren und Vorrichtungen beschrieben zum Erhöhen der Tragfähigkeit des Bodens, wobei ein Druckgas-Iinpulsgenerator verwendet wird, der in ein hohles rohrförmiges Bauteil eingesetzt ist, das im Boden ange-

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ordnet ist; der Druckimpulsgenerator gibt rasch und abrupt das Druckgas nahe am oberen Ende des Impulsgenerators frei, um kräftige Impulse zu erzeugen, um das Material, beispielsweise Sand, Kies, Beton oder dergleichen, das in dem hohlen Bauteil nach unten zugeführt wurde, wiederholt nach außen in den Boden zu drücken, um eine die Last aufnehmende Materialsäule zu erzeugen. Eine hierzu verwendbare Vorrichtung ist auch in der US-PS 3 808 823 beschrieben. Die in den genannten Patentschriften beschriebenen Druckgas-Impulsgeneratoren ("airguns") v/erden ausgelöst ("abgefeuert")ι indem die unter hohem Druck stehende Luft oder ein anderes darin enthaltenes Gas abrupt freigegeben und in die Umgebung abgelassen wird.

Die bekannten Druckimpulsgeneratoren v/eisen im allgemeinen als für die Funktion wichtige Bauteile eine Ladekammer auf, die das Gas unter hohem Druck hält, eine Freigäbeeinrichtung, die betätigt werden kann, um das Druckgas abrupt durch Entladeöffnungen freizugeben, die in den Wänden der Ladekammer vorgesehen sind, eine Einrichtung zur Zufuhr von unter hohem Druck stehendem Gas zur Ladekammer·, und eine Steuereinrichtung, die die Betätigung der Freigabeeinrichtung steuert, um das Druckgas freizugeben. Die Freigabeeinrichtung weist allgemein hin- und herbewegbare Bauteile auf, einen ersten Kolben oder Freigabekolben, der in der Ladekammer angeordnet ist, um das Druckgas dort zu halten, und einen zweiten Kolben oder Steuerkolben, der in einem Arbeitszylinder oder einer Steuerkammer angeordnet ist, in der das Druckgas gegen den hin- und herbewegbaren Kolben wirkt, um ihn in seiner "geschlossenen" Stellung zu halten, bis er freigegeben wird. Die bewegbaren Kolben sind durch einen Schaft miteinander verbunden, der hin- und herbe-

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wegbar zwischen dem Arbeitszylinder und der Ladekammer angeordnet ist und hohl ausgeführt ist, damit ein Druckgasvorrat erst in den Arbeitszylinder und von dort in die Ladekammer strömen kann.

Die Druckgas-Impulsgeneratoren können selbstauslösend ausgeführt sein, indem die Größenverhältnisse der beaufschlagten Flächen der Kolben entsprechend gewählt werden, oder sie können durch ein Solenoidventil ausgelöst werden, das betätigt wird, um die Strömung des Druckgases durch verschiedene Auslösekanäle zu steuern, um zu bewirken, daß die hin- und herbewegbaren Teile abrupt in Tätigkeit treten. Ein geeignetes Solenoidventil ist in der US-PS 3 588 039 beschrieben. Diese beiden Betriebsweisen der Druckgas-Impulsgeneratoren sind in der US-PS 3 379 273 des Anmelders beschrieben; zur weiteren Erläuterung dieser Druckimpulsgeneratoren wird daher auf diese Patentschriften verwiesen. Weitere Einzelheiten über Druckimpulsgeneratoren sind auch den US-PS'en 3 249 177 und 3 653 460 des Anmelders zu entnehmen.

Der Einsatz von Druckgas-Impulsgeneratoren in Bohrlöchern im Boden erfordert die Berücksichtigung der Umgebungsverhältnisse, wobei es beispielsweise wichtig ist, ob möglicherweise störende Materialien in der Umgebung vorhanden sind, wie Schmutz, Kies und dergleichen. Hinzu kommt, daß Bohrlöcher, die wirtschaftlich hergestellt werden sollen, im allgemeinen einen kleinen Durchmesser haben, beispielsweise 7_f6 cm (3 Zoll); ein Druckgas-Impulsgenerator, der dort eingeführt werden soll, soll einen Außendurchmesser und eine Form haben, die es ermöglichen, den Generator ohne Schwierigkeiten in ein derartiges Bohrloch

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einzuführen. Der Druckimpulsgenerator, dessen Verwendung in den US-PS'en 3 707 848 und 3 793 844 beschrieben ist, kann in ein Rohr eingeführt werden, das einen Durchmesser von ungefähr 15 cm (6 Zoll) bis 1,5 m (5 Fuß) hat; der zur Verwendung bei seismischen Unterwasseruntersuchungen bestimmte Druckluft-Impulsgenerator kann einen Durchmesser haben, der es ermöglicht, den Generator durch das Wasser zu ziehen, beispielsweise über 12,7 cm (5 Zoll), um ein großes Ladevolumen aufzunehmen. Keiner dieser Druckimpulsgeneratoren, die in den obigen Patentschriften des Anmelders beschrieben werden, passen in schmale, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand herstellbare Bohrlöcher mit einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll).

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Druckgas-Impulsgenerator als kompakte Baueinheit geschaffen, der ohne Schwierigkeiten in einem Bohrloch als seismische Impulsquelle verwendet werden kann. Insbesondere macht die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise die Verwendung einer Vorrichtung möglich, die ähnlich wie die beschriebenen Druckimpulsgeneratoren arbeitet, um plötzliche seismische Impulse zu erzeugen, wobei diese Vorrichtung aber ohne Schwierigkeiten in Bohrlöcher für seismische Untersuchungen eingeführt werden kann, die wirtschaftlich mit geringem Durchmesser hergestellt werden können, d.h. mit einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll); die Bauteile des Generators können leicht zusammengebaut und auseinandergebaut werden zum Zwecke der Reinigung und der Reparatur und zum Austausch von Ladekammern unterschiedlicher Längen zur Veränderung der Impulscharakteristiken.

Diese Vorteile werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein einheitliches, d.h. einstückiges rohrförmiges Gehäuse ge-

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schaffen wird, in dem axial in einer Linie die wirksamen Bauteile des Druckgas-Impulsgenerators übereinandergestapelt angeordnet sind. Die Wände des rohrförmigen Gehäuses weisen Gaskanäle auf, um Druckgas von einer äußeren Quelle zuzuführen, sowie Gaskanäle, um Gas für die Betätigung, d.h. das Auslösen des Druckimpulsgenerators zu fördern. Das rohrförmige Gehäuse ist länglich und hat einen geringen Durchmesser, so daß es in Bohrlöcher mit kleinem Durchmesser paßt. Die Enden des Gehäuses können mit Gewinde versehen sein zur Aufnahme von aufschraubbaren Endverschlüssen, um darin die wirksamen Bauteile oder Elemente sicher abzuschließen. Der Endverschluß kann eine konische Nase am vorderen Ende der Vorrichtung aufweisen, um die Einführung in das Bohrloch zu erleichtern, während der Endverschluß am hinteren Ende zur Aufnahme eines Gaszufuhranschlusses eines Schlauches, elektrischerAnschlüsse und dergleichen geeignet ist. Das rohrförmige Gehäuse weist die Gasentladungsöffnungen auf zur abrupten Freigabe von unter hohem Druck stehendem Gas. Die wirksamen Bauteile des Druckgas-Impulsgenerators, wie die Ladekammer, der Arbeitszylinder, die Hin- und Herbewegungseinrichtung mit ihrem Verschlußkolben und ihrem Steuerkolben, die Solenoidventileinrichtungen und die Abtrenneinrichtungen, die die verschiedenen Kammern voneinander trennen, sind alle herausnehmbar und gestapelt angeordnet, so daß sie schnell und einfach herausgenommen v/erden können zur Reparatur, Reinigung und/oder zum Auswechseln von Bauteilen oder zum Einstellen von Bauteilen zur Veränderung der Kammerkapazitäten, um die Kenngrößen der Vorrichtung und die Arbeitsparameter zu ändern.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Druckgas-Impulsgenerator zu schaffen, der in lange schmale Bohrlöcher eingeführt werden kann, um dort Druckgas plötzlich freizugeben

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zur Erzeugung von starken Impulsen, die für seismische Untersuchungszwecke geeignet sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Druckimpulsgenerator zu schaffen, der ein einstückiges rohrförmiges Gehäuse mit glatter Außenfläche hat, in dem axial ubereinandergestapelt die Arbeitsbauteile der Vorrichtung angeordnet sind. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Gasübertragungskanäle in den Wänden des rohrförmigen Gehäuses des Druckgas-Impulsgenerators zu schaffen.

Noch ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, einen Druckgas-Impulsgenerator zu schaffen, der gegenüber den bekannten Druckgas-Impulsgeneratoren hinsichtlich der Bequemlichkeit und der Wirtschaftlichkeit der Verwendung in tiefen und engen Bohrlöchern zur Erzeugung von seismischen Impulsen im Boden verbessert ist.

Die verschiedenen Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Druckimpulsgenerators ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 in auseinandergeζοgener Darstellungsweise und teilweise im Schnitt einen erfindungsgemäßen Druckgas-Impulsgenerator, wobei dessen einzelne Bauteile in ihrer gegenseitigen Lage vor dem Zusammenbau gezeigt sind,

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Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Druckgas-Impulsgenerator nach Fig. 1 nach dem Zusammenbau und vor der Einführung in ein Bohrloch, und

Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt zur genaueren Darstellung von Einzelheiten des Aufbaus.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung zur Abgabe von unter Druck stehendem Gas ("airgun")» nachfolgend als Druckimpulsgenerator 10 bezeichnet, weist ein längliches einstückiges zylindrisches oder rohrförmiges Gehäuse 12 auf, das die äußere Schale des Generators bildet und im geschlossenen Zustand eine Hauptkammer umschließt. An seinem vorderen Ende weist das zylindrische Gehäuse 12 ein Gewinde 14 auf zur Aufnahme eines konischen Nasenstücks 16 als Endverschluß. Wie man aus Fig. 1 erkennt, v/eist der Nasenendverschluß 16 einen Gewindeabschnitt 18 auf, der in das Gewinde 14 des zylindrischen Gehäuses 12 eingeschraubt werden kann. Die Nase 16 weist auch eine Öffnung 20 auf, durch die eine Stange oder ein anderes Werkzeug (nicht gezeigt) eingeführt werden kann, um die Nase 16 zu drehen, wenn sie auf das zylindrische Gehäuse 12 aufgeschraubt oder von diesem abgeschraubt wird.

Die normale gestapelte Anordnung der Bauteile ist in der auseinandergezogenen Darstellung der Fig. 1 im zerlegten Zustand gezeigt. In Fig. 2 sieht man, wie die Bauteile im zylindrischen Gehäuse 12 in fluchtender gestapelter Anordnung längs der Achse des Gehäuses 12 angeordnet sind.

In Fig. 2 ist die Nase 16 in mit dem Gehäuse 12 verbundener Anordnung dargestellt, wobei sie das vordere Gehäuseende ver-

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— erschließt; zur Abdichtung ist ein O-Ring 22 vorgesehen. Eine Ausnehmung 24 in einer Stirnfläche der Nase 16 "bildet zusammen mit nachfolgend noch beschriebenen Bauteilen eine Ladekammer oder Schußkammer 26, die .eine Ladung von Druckgas aufnehmen kann. Die Ausnehmung 24 kann in verschiedenen Nasenstücken 16 mit verschiedenen Größen ausgeführt sein, so daß das Ladevolumen der Schußkammer 26 verändert werden kann, indem die Nasenstücke ausgewechselt werden, um die Kennwerte der zu erzeugenden seismischen Impulse zu verändern.

Eine Freigabe-Zylinderbüchse 28 begrenzt einen Freigabezylinder 30 und umgibt den Freigabekolben 32. Die Freigabebüchse 28 hat mehrere symmetrisch im Abstand zueinander angeordnete Öffnungen 34, die mit Öffnungen 36 im zylindrischen Gehäuse 12 fluchten, um den Austritt des komprimierten Gases zu ermöglichen. In der in Fig. 2 gezeigten Stellung vor dem Schuß oder der Gasabgabe steht eine untere Lippe 38 einer Schürze 40 des Freigabekolbens 32 in dichtendem Eingriff mit einer herausnehmbaren Dichtung

41 (siehe auch Fig. 1), die einen beweglichen Dichtring 42 aufweist, um eine Ladung von Druckgas in der Ladekammer 26 zu halten. Ein O-Ring 44 bildet eine Dichtung zwischen dem beweglichen Dichtring 42 und der Zylinderbüchse 28. Ein anderer O-Ring 46 bildet eine Dichtung zwischen der Zylinderbüchse 28 und dem zylindrischen Gehäuse 12.

Mehrere Dichtungsfedern 48 (Fig. 3), die innerhalb einer Halterung 50 angeordnet sind, drücken den beweglichen Dichtring

42 gegen den Kolbenrand oder die Lippe 38. Auf diese Weise wird das Druckgas an einem Austritt durch die Öffnungen 34, 36 durch die Berührung der unteren Lippe 38 des Freigabekolbens 32 mit dem Dichtring 42 der beweglichen Dichteinrichtung 41 gehindert. Eine Haltebüchse 52, die mit der Büchse 28 zusammen-

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wirkt, hält den O-Ring 44 und bildet ein Abstandsstück zwischen der Büchse 28 und der Federhalterung 50, so daß die Bauteile in gestapelter Anordnung mit den Enden zueinander montiert werden können. Die herausnehmbare Dichtung 42 kann aus elastischem Material bestehen, beispielsweise Nylon, Delrin und dergleichen, um eine wirksame Dichtungspassung ait der unteren Lippe 38 zu erreichen; daher ist auch ein innerer Haltering 54 aus Metall vorgesehen, um die elastische Dichtung 42 fest in ihrer Stellung zu halten. Die genaue Anordnung und Ausrichtung der Freigabezylinderbüchse 28 im zylindrischen Gehäuse 12 wird durch einen Dübel 56 sichergestellt, der durch das zylindrische Gehäuse 12 eingeführt ist und in einer Ausnehmung 58 in der Büchse 28 ragt.

Ein Arbeitszylinder 60 wird durch Bauteile oder Elemente begrenzt, die benachbart zu denjenigen Elementen angeordnet sind, die den Freigabezylinder 30 und die Ladekammer 26 begrenzen, wie in Fig. 2 gezeigt. Der Arbeitszylinder 60 ist mit einer Arbeit s Zylinderbuchse 62 ausgekleidet. Zwischen der Arbeitszylinderbüchse 60 und der Freigabezylinderbüchse 28 ist eine herausnehmbare Trenneinrichtung 65 angeordnet (siehe auch Fig. 1). Diese herausnehmbare Trenneinrichtung 65 weist eine untere ringförmige Haltebrille 64 für den Schaft und eine obere ringförmige Haltebrille 66 für den Schaft auf. Die untere ringförmige Haltebrille 64 und die obere ringförmige Haltebrille 66 halten eine Schaftdichtungspackung 68 an ihrer Stelle in einer ringförmigen Ausnehmung 70, die in der oberen Haltebrille 66 ausgebildet ist. Zwischen dem Gehäusezylinder 12 und den Haltebrillen sowie zwischen den Haltebrillen selbst wird durch O-Ring-Dichtungen 72 und 73 eine enge Abdichtung erzielt. Die Haltebrillen und die Dichtungspackung bilden

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zusammen die herausnehmbare Trenneinrichtung 65 oder Abteilung, die zwischen dem Arbeitszylinder 60 und der Ladekammer 26 angeordnet ist.

Eine herausnehmbare, hin- und herbewegbare Baugruppe 74 kann sich relativ zu dem Arbeitszylinder 60, dem Freigäbezylinder 30 und der Ladekammer 26 hin- und herbewegen. Diese bewegbare Freigabe-Baugruppe 74 weist den Freigabekolben 32 auf, der mit einem Arbeitskolben 76 über einen hohlen Schaft 78 verbunden ist. Der Arbeitszylinder 60 und der Freigabezylinder 30 sind voneinander mittels der Schaftdichtungspackung 68 abgedichtet, die einen O-Ring 80 in fester Dichtungsberührung mit dem Schaft 78 trägt. Der Arbeitskolben 76 ist gegenüber dem hohlen Kolbenschaft 78 durch einen O-Ring 82 gedichtet, der durch einen Ring 84 und eine Mutter 86 gehalten wird. Eine obere Gehäusetrenneinrichtung 88 bildet den Deckel des Freigabezylinders. 60. Diese obere Gehäusetrenneinrichtung 88 weist eine Ausnehmung 90 auf, in die der obere Abschnitt der hin- und herbewegbaren Baugruppe 74 im Betrieb eintritt, nämlich das Schaftende und die Mutter 86. Die obere Gehäusetrenneinrichtung 88 wird in ihrer Stellung zwischen der Arbeitszylinderbüchse 62 und einem Solenoidventilgehäuse 92 gehalten. Das Ventilgehäuse 92 wiederum wird in seiner Stellung durch einen oberen Endverschluß oder eine Deckelkappe 94 gehalten, die ein Gewinde 96 aufweist, das in ein entsprechendes Gewinde 98 am zylindrischen Gehäuse 12 eingeschraubt ist.

Die Anordnung und Verbindung der verschiedenen Gaskanäle ergibt sich am besten aus der Erläuterung der Arbeitsweise des Druckiiapulsgenerators. Zur Vorbereitung der Gasentladung (Fig. 2)

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wird Druckgas durch einen Schlauch zugeführt, der mit einem Kompressor oder einer anderen Druckgasquelle verbunden ist, beispielsweise einem Gaszylinder (nicht gezeigt); der Schlauch ist mit einem Einlaß 100 am oberen Endverschluß 94 verbunden. Der Einlaß 100 ist mit einem Kanal 102 verbunden, der im oberen Endverschluß 94 ausgebildet ist und in einer ringförmigen Ausnehmung 104 endet, die an der Umfangsflache des Endverschlusses 94 angeordnet ist. Die ringförmige Ausnehmung 104 steht in Verbindung mit dem oberen Ende eines Hochdruckgaszufuhrkanals 1O6, der in den Wänden des zylindrischen Gehäuses 12 angeordnet ist und sich dort längs durch eine radiale Öffnung 108 in der Wand des Gehäuses 12 erstreckt, die mit der ringförmigen Ausnehmung 104 fluchtet. Der Gaszufuhrkanal 106 endet an seinem unteren Ende in einer Öffnung 110, die mit einer ersten ringförmigen Ausnehmung 112 in Verbindung steht, die an der Umfangsflaehe des oberen Gehäuses 80 angeordnet ist.

Die ringförmige Ausnehmung 112 steht mit einem diagonal verlaufenden Gaszufuhrkanal 114 innerhalb des oberen Gehäuses 88 in Verbindung, der in der Ausnehmung 90 endet, die mit dem Arbeitszylinder 60 verbunden ist. Das Druckgas tritt in den Arbeitszylinder 60 durch die oben beschriebenen Kanäle ein. Die ringförmigen Ausnehmungen sind -so angeordnet, daß eine Verbindung mit den öffnungen 108 und 110 im zylindrischen Gehäuse/sichergestellt ist, und zwar unabhängig von der Drehstellung der Bauteile 94 und 88.

Das Druckgas tritt in die Ladekammer 26 ein, indem es durch eine Drossel 116 und durch einen axialen Kanal 118 strömt, die beide in dem hohlen Kolbenschaft 78 angeordnet sind. Wenn das

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Druckgas in den Arbeitszylinder 60 strömt, hält die Drossel 116 den Druck im Zylinder 60 etwas über dem Druck in der Ladekammer 26, so daß der Rand des Arbeitskolbens 76 fest auf seinem Sitz an einem O-Ring 120 einer Arbeitsdichtung liegt. Die Dichtung 120 wird durch die obere ringförmige Haltebrille 66 gehalten, die auch die Schaftdichtung 68 in ihrer ringförmigen Ausnehmung 70 hält. Nachdem die Kammer 26 gefüllt ist und unter dem gewünschten Druck steht, ist der Druckimpulsgenerator für die Freigabe des Gases vorbereitet.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 wird die Gasfreigabe durch Verwendung eines Solenoidventils 122 bewirkt, wie es beispielsweise in der US-PS 3 538 039 beschrieben ist. Eine ringförmige Solenoidspule 124 schafft ein magnetisches Feld, wenn ein elektrischer Strom über eine (nicht gezeigte) Leitung angelegt wird, die mit dem Stecker 126 verbunden ist. Dieses elektrische Signal bewirkt, daß das Ventil 122 betätigt wird, um zv/ei Auslösekanäle 128 und 130 zu verbinden, die in dem oberen Gehäusedeckel 88 angeordnet sind.

Nach Betätigung des Ventils 122 gelangt - wie schematisch in Fig. 3 gezeigt - Druckgas aus dem Arbeitszylinder 60 durch den ersten Auslösekanal 128 und durch das Ventil 122 in den zweiten Auslösekanal 130. Der zweite Kanal 130 steht mit einer zweiten ringförmigen Ausnehmung 132 in Verbindung, die in der Umfangsfläche des oberen Gehäuseteils 88 angeordnet ist.

In Nuten, die das obere Gehäuseteil 88 umgeben, sind drei O-Ring-Dichtungen 131, 133 und 135 angeordnet, um die erste ringförmige Ausnehmung 110 und die zweite ringförmige Ausnehmung 132 gegeneinander abzudichten und um diese Ausnehmungen

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gegenüber dem Inneren des Gehäuses 12 abzudichten.

Die ringförmige Ausnehmung 132 steht mit einer Öffnung 134 in der Wand des zylindrischen Gehäuses 12 in Verbindung, die mit einem Auslösekanal 136 verbunden ist, der sich längs innerhalb der Wand des rohrförmigen Gehäuses 12 erstreckt. Der Kanal 136 endet in einer Öffnung 133, die mit einer ringförmigen Ausnehmung 140 in Verbindung steht, die in der Umfangsflache der oberen ringförmigen Haltebrille 66 angeordnet ist und über einen diagonalen Auslösekanal 142 in der Haltebrille 66 verbunden ist, der in einer ringförmigen Triggerausnehmung 144 endet, die auf der dem Arbeitskolben 76 gegenüberliegenden Seite im Zylinder 60 angeordnet ist.

Wenn der Gasdruck vom Arbeitszylinder 60 auf die Triggerkammer 144 über die beschriebenen Kanäle übertragen wird, sucht sich der auf die entgegengesetzten Flächen des Kolbens 76 ausgeübte Druck auszugleichen, so daß die Baugruppe 74 von dem Dichtring 120 weg beschleunigt wird und die Dichtung 42 verläßt, so daß die Öffnungen 36 plötzlich geöffnet werden, um das Druckgas aus der Ladekammer 26 abrupt freizugeben, wie in Fig. 3 durch Pfeile 145 angedeutet.

Bypasskanäle 146, die durch Ausschnitte in der Arbeitszylinderbüchse 62 gebildet sind, dienen dazu, den Druckausgleich auf gegenüberliegenden Flächen des Arbeitskolbens 76 zu unterstützen, nachdem dieser seine Beschleunigung weg von der Dichtung 120 begonnen hat.

Nach der plötzlichen Gasfreigabe, die in Fig. 3 durch die Pfeile 145 angedeutet ist, wird das Gas, das in dem Arbeits-

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zylinder 60 oberhalb der Bypasskanäle 176 eingeschlossen ist, durch den sich schnell bewegenden Arbeitskolben 76 komprimiert, so daß die bewegliche Baugruppe 74 verzögert und dann in ihre Ausgangsstellung gemäß Fig. 2 zurückbewegt wird.

Anstelle der Betätigung der bewegbaren Baugruppe 74 mittels eines Solenoidventils kann der Druckimpulsgenerator auch selbsttätig ausgeführt werden. In diesem Fall können das Solenoidventil und das Auslösekabel weggelassen werden, ebenso die Betätigungs- oder Auslösekanäle 128, 130, 136, 142 und die Triggerkammer 144. Um eine selbstauslösende Arbeitsweise der Vorrichtung zu erreichen, wird die wirksame Fläche des Auslösekolbens 32, die dem Druckgas in der Ladekammer 26 ausgesetzt ist, größer ausgeführt als die des Arbeitskolbens 76, der dem Druckgas im Arbeitszylinder 60 ausgesetzt ist. Wenn daher der Druck in der Kammer 26 im wesentlichen auf den Druckwert im Zylinder 60 angestiegen ist, öffnet sich die Dichtung zwischen dem O-Ring 120 und dem Arbeitskolben 76, so daß das unter hohem Druck stehende Gas im Zylinder 60 mit der unteren Fläche des Kolbens 76 in Verbindung kommt; die bewegbare Baugruppe 74 wird von der Dichtung 120 und von der Dichtung 42 weg beschleunigt und öffnet abrupt die Öffnungen 36, um das Druckgas plötzlich freizugeben. Die Bypasskanäle 146 in der Zylinderbüchse 62 stellen eine freie Verbindung für das Gas her, so daß dieses vom Zylinder 60 in den Raum unterhalb des sich bewegenden Kolbens 76 gelangen kann. Die Zeitabstände zwischen den Freigaben beim selbstauslösenden Betrieb werden durch, die Drossel 116 in einem herausnehmbaren Stopfen 117 gesteuert. Je größer der Drosseleffekt ist, d.h. je kleiner der Durchmesser des Kanals 116 ist, desto langer ist der Zeitabstand zwischen den Gasentladungen und umgekehrt.

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Die Endkappe 94 kann zusätzlich zu den Anschlüssen für den Luftschlauch und die elektrische Leitung Verbindungseinrichtungen aufweisen, beispielsweise Gewindebohrungen 148, um die Vorrichtung so aufzuhängen, daß sie in ein Bohrloch abgesenkt werden kann. Am zylindrischen Umfang des rohrförmigen Gehäuses sind daher keine Vorsprünge für Verbindungsanschlüsse vorhanden, ebenso keine Befestigungseinrichtungen, die zur Verbindung von Bauteilen miteinander notwendig wären. Daher kann der Druckimpulsgenerator 10 leicht in ein Bohrloch mit kleinem Durchmesser eingeführt v/erden, um als seismische Impulsquelle unten in einer Bohrung verwendet zu werden. Wenn eine Reparatur, eine Reinigung oder eine Auswechslung von Teilen an dem Druckimpulsgenerator 10 erforderlich ist, kann dieser leicht auseinandergenommen und wieder zusammengesetzt werden, weil die herausnehmbaren Elemente axial gestapelt angeordnet sind. Daher wird der Feldeinsatz des Generators wesentlich erleichtert.

Das zylindrische Gehäuse 12 besteht in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 aus korrosionsbeständigem Stahl und hat einen Außendurchmesser von vorzugsweise nicht mehr als 6,6 cm (2 5/8 Zoll); daher kann der Generator ohne Schwierigkeiten in ein Bohrloch in der Erde von 7,6 cm Durchmesser (3 Zoll) eingeführt werden. Die dargestellte Ausfuhrungsform kann tatsächlich so schlank ausgeführt werden, daß sie einen äußeren Durchmesser von nur 6,4 cm (2,50 Zoll) hat, so daß sie frei in ein Bohrloch in der Erde mit diesem Durchmesser abgesenkt werden kann.

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Claims (16)

- 17 Patentansprüche

1.jDruckimpulserzeuger, der mit Druckgasentladungen arbeitet und eine Ladekarnmer aufweist zur Aufnahme von Gas unter hohem Druck, Entladeöffnungen und eine B'reigäbe einrichtung zur abrupten Freigabe von kräftigen Impulsen des Druckgases aus der Kammer durch die Entladeöffnungen in die Umgebung, gekennzeichnet durch ein längliches rohrförmiges Gehäuse (12), das mindestens an einem Ende offen ist, mehrere herausnehmbare Bauteile, die zum Zusammenbau axial gleitend in das rohrförmige Gehäuse (12) eingebracht werden können, und einen abnehmbaren Endverschluß (16), um diese herausnehmbaren Bauteile in dem Gehäuse zu halten, wodurch der Druckimpulsgenerator zur Verwendung als seismische Impulsquelle in einem schmalen Bohrloch in der Erde geeignet ist.

2. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die herausnehmbaren Bauteile eine Trenneinrichtung (65) aufweisen, die herausnehmbar in dem rohrförmigen Gehäuse (12) angeordnet ist und deren Inneres in eine Arbeits- oder Betätigungskammer (60) und eine Ladekammer (26) unterteilt, daß das rohrförmige Gehäuse (12) mehrere Entladeöffnungen (36) aufweist, die aus der Ladekammer (26) zum Äußeren des rohrförmigen Gehäuses führen, daß eine Freigäbeeinrichtung (32) innerhalb der Ladekammer (26) beweglich angeordnet ist, um eine plötzliche Freigabe von Druckgas durch die Entladeöffnungen bei Betätigung der Freigabeeinrichtung zu bewirken, daß eine Dichteinrichtung (41) beweglich innerhalb des rohrförmigen Gehäuses angeordnet ist und mit der Freigabeeinrich-

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tung (32) in Eingriff treten kann, um die Öffnungen zu verschließen, daß Gasströmungskanäle (118) die Arbeitskammer und die Lad.ekammer miteinander verbinden, daß das rohrförmige Gehäuse einen Druckgas-Zufuhrkanal (106) aufweist, der innerhalb der Viand des Gehäuses angeordnet ist und mit der Arbeitskammer in Verbindung steht, um unter hohem Druck stehendes Gas zu der Arbeitskammer (6o) zu leiten, und daß der abnehmbare Endverschluß (16), der abnehmbar an einem Ende des rohrförmigen Gehäuses (12) angeordnet ist, die herausnehmbare Vorrichtung (65, 32, 41) in dem Gehäuse (12) hält, so daß der Druckimpulsgenerator geeignet ist zur Verwendung als seismische Quelle in einem schmalen Bohrloch in der Erde.

3. Druckimpulserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der abnehmbare Endverschluß (16) ein Nasenstück ist, das eine innere Endfläche (24) hat, die einen Wandabschnitt bildet, der einen Teil der Ladekammer (26) begrenzt.

4. Druckimpulserzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (24) des Endverschlusses (16) konkav ist und eine Ausnehmung bildet, um das Volumen der Ladekammer (26) gegenüber dem Volumen zu erhöhen, das mit einer flachen Endfläche erreicht würde, wodurch unterschiedliche Ladekamme rvolumina erhalten werden können, indem man Endverschlüsse mit verschieden großen Hohlräumen verwendet.

5. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Endverschluß-Nasenstück (16) an seiner Außenseite so geformt ist, daß die Einführung des Generators in ein schmales Bohrloch erleichtert wird.

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6. Druckimpulsgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der abnehmbare Endverschluß (16) mit einem Gewinde (18) versehen ist, um in das Ende des rohrförmigen Gehäuses (12) eingeschraubt zu werden, und daß der abnehmbare Endverschluß (16) einen Anschluß (20) aufweist, mit dem ein Werkzeug in Eingriff treten kann, um das Nasenstück (16) aufzuschrauben und abzuschrauben.

7. Druckimpulsgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche

2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere Trenneinrichtung (88) herausnehmbar innerhalb des rohrförmigen Gehäuses (12) angeordnet ist und das obere Ende der Arbeits- oder Betätigungskammer (60) bildet, daß die obere Trenneinrichtung einen Druckgas-Zufuhrkanal (114) aufweist, daß eine ringförmige Ausnehmung (112) am Umfang der oberen Trenneinrichtung angeordnet ist und mit diesem Kanal in Verbindung steht, daß das rohrförmige Gehäuse eine Wandöffnung (110) aufweist, die mit dieser ringförmigen Ausnehmung in Verbindung steht, wenn die obere Trenneinrichtung innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und mit dem Druckgas-Zufuhrkanal (106) in der Gehäusewand in Verbindung steht, daß der rohrförmige Gehäusekanal (106), die Wandöffnung (110), die ringförmige Ausnehmung (112) und der obere Trennkanal (114) zusammen einen kontinuierlichen geschlossenen Kanal für die Zufuhr von Druckgas zu der Arbeitskammer (60) bilden.

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8. Druckinipulsgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine herausnehmbare Büchse (28) die Ladekammer umgibt, daß die Büchse (28) herausnehmbar zwischen der herausnehmbaren Trenneinrichtung (65) und der herausnehmbaren Dichteinrichtung (41) angeordnet ist, daß die Büchse (28) mehrere Öffnungen (34) aufweist, die mit den Entladeöffnungen (36) ausgerichtet werden können, und daß eine Ausrichteinrichtung (56, 58) vorgesehen ist, um die Ausrichtung der Öffnungen (34) mit den Öffnungen (36) sicherzustellen, wenn die herausnehmbare Büchse (28) in dem rohrförmigen Gehäuse angeordnet ist.

9. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite herausnehmbare Büchse (62) die Arbeitskammer (60) umgibt, daß die zweite herausnehmbare Büchse (62) herausnehmbar zwischen der herausnehmbaren Trenneinrichtung (65) und der oberen Trenneinrichtung (88) angeordnet ist und diese Trenneinrichtungen (65, 88) im Abstand zueinander hält.

10. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigäbeeinrichtung (32) ein Kolben auf einer beweglichen Baugruppe (74) ist, die im Betrieb zwischen der Arbeitskammer (60) und der Ladekammer (26) angeordnet ist, daß der Kolben innerhalb der ersten herausnehmbaren Büchse (28) gleitet, daß die bewegliche Baugruppe (74) einen Schaft (78) aufweist, der durch die herausnehmbare Trenneinrichtung (65) hindurchtritt und gegenüber dieser beweglich ist, und daß ein Arbeits- oder Betätigungskolben (76) am anderen Ende der beweglichen Baugruppe (74) angeordnet ist und in der zweiten herausnehmbaren Büchse (62) gleitet.

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11. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Solenoidventil (122) herausnehmbar innerhalb des rohrförmigen Gehäuses (12) nahe der oberen Trenneinrichtung (88) angeordnet ist, um die Betätigung des Druckimpulsgenerators zu triggern, daß die obere Trenneinrichtung einen Auslöse-Gasströmungskanal (128) aufweist, der die Arbeitskammer (6o) mit dem Solenoidventil (122) verbindet, daß die obere Trenneinrichtung einen weiteren Auslöse-Gasströmungskanal (130) aufweist, der das Ventil (122) mit einer zweiten ringförmigen Ausnehmung (132) verbindet, die am Umfang der oberen Trenneinrichtung angeordnet ist, daß ein zweiter GasStrömungskanal (136) in der Wand des rohrförmigen Gehäuses (12) angeordnet ist, daß der zweite Gasströmungskanal (136) eine Verbindung mit der ringförmigen Ausnehmung (132) durch eine Öffnung (134) in der rohrförmigen Wand herstellt und damit eine Verbindung mit einem Bereich (144) zv/ischen der herausnehmbaren Trenneinrichtung (65) und dem Arbeitskolben (76) herstellt, um die Bewegung der beweglichen Baugruppe (74) zu triggern.

12. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die herausnehmbare Trenneinrichtung, die die Ladekammer und die Arbeitskammer voneinander trennt, eine ringförmige Ausnehmung (144) aufweist, die an ihrem Umfang angeordnet ist, daß der zweite Gasströmungskanal (130) in der Gehäusewand mit der ringförmigen Ausnehmung (140) in der herausnehmbaren Trenneinrichtung über eine Öffnung (138) in der Gehäusewand in Verbindung steht, und daß die herausnehmbare Trenneinrichtung (65) einen inneren Kanal (142) aufweist, um die ringförmige Ausnehmung (14O) mit dem Bereich (144) zu verbinden.

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13. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des rohrförmigen Gehäuses (12) offen ist, daß eine zweite herausnehmbare Verschlußeinrichtung (94) herausnehmbar in diesem anderen Ende des rohrförmigen Gehäuses nahe dem Solenoidventil (122) angeordnet ist, um das Solenoidventil in dem rohrförmigen Gehäuse (12) zu halten.

14. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite herausnehmbare Verschlußeinrichtung einen Einlaß (100) aufweist zur Aufnahme von Druckgas, eine ringförmige Ausnehmung (104) an ihrem Umfang, und einen Kanal (102), der den Einlaß (100) mit der ringförmigen Ausnehmung (104) verbindet, und daß der Druckgas-Zufuhrkanal (106) in der Gehäusewand eine Öffnung (108) hat, die mit der ringförmigen Ausnehmung (104) in Verbindung steht, um Druckgas in den Kanal (106) zu leiten.

15. Druckimpulsgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Trenneinrichtung zwei ringförmige Ausnehmungen (112, 132) an ihrem Umfang aufweist und drei Dichtungen (131, 133, 135) zur Abdichtung gegen die Wand des rohrförmigen Gehäuses, wobei eine der Dichtungen (133) zwischen diesen beiden ringförmigen Ausnehmungen und die anderen Dichtungen (131, 135) oberhalb bzw. unterhalb dieser beiden ringförmigen Ausnehmungen angeordnet sind.

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16. Druckimpulsgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse (12) einen Außendurchmesser von nicht mehr als 6,67 cm hat zur Verwendung in einem Bohrloch in der Erde mit einem Nenndurchmesser von 7,62 cm.

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