DE2640002A1

DE2640002A1 - Verfahren zum bestimmen der ausbreitungsgeschwindigkeiten von wellen im boden

Info

Publication number: DE2640002A1
Application number: DE19762640002
Authority: DE
Inventors: Dominique Apert; Arnauld Etchecopar; Robert Grassy
Original assignee: Services et Instruments de Geophysique
Current assignee: Services et Instruments de Geophysique
Priority date: 1975-09-09
Filing date: 1976-09-04
Publication date: 1977-03-31
Also published as: FR2323990B1; FR2323990A1; US4105993A

Description

der Firma SERVICES ET INSTRUMENTS DE GEOPHYSIQÜE, Route de Savenay, F - 44130 Bouvron (Loire-Atlantique)

betreffend:

"Verfahren zum Bestimmen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Wellen im Boden"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Kompressionsund Schwerwellen bzw. des Young-Moduls und des Poisson-Koeffizienten im Boden.

Aufgabe der geophysikalischen Prospektionsverfahren ist es, physikalische Parameter der unterirdischen Bodenformationen zu bestimmen, sei es, daß die Erfahrung gezeigt hat, daß diese Parameter eine direkte Beziehung mit den gesuchten Gegenständen aufweisen, sei es, daß diese Beziehung indirekt ist. Der letztere Fall ist der häufigere: Beispielsweise kann eine Veränderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall, des elektrischen Widerstandes, der magnetischen Eigenschaften usw. in Beziehung stehen mit einer Veränderung der Permeabilität, die die bei der Suche nach Erdöl, Wasser oder Dampf interessiert.

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Unter den Fällen, bei denen die geophysikalischen Methoden direkt einen verwertbaren Parameter liefern, kann man die Bestimmung der Elastizitätskennwerte des Erdreichs (Young-Modul und Poisson-Koeffizient) nennen, die von Bedeutung für Erdbauarbeiten sind: Gründungsarbeiten, Errichten von Tunneln, Durchqueren von Dämmen etc..

Bekanntlich bestehen zwischen den Äusbreitungsgeschwindigkeiten der elastischen Wellen im Erdreich, dessen Dichte und den dynamischen Elastizitätsmodulen die Beziehungen:

■ . ■ .E.xeu ■

V_p = —j,— und

V² =

wobei V_D b2w. V_c die Ausbreitungsgeschwindigkeiten in dem Material der Längs- oder Druckwellen "P" bzw. der Quer- oder Schwerwellen "S" sind,

E,der dynamische Elastizitätsmodul bei Druck (Young-Modul),

CU,eine Funktion des Poisson-Koeffizienten U ist: 1 - u

CU = ■ —

(1+ u) (1 - 2u)

f , die Dichte der Masse

. f" - volumenspezifische Masse/Erdbeschleunigung G, der dynamische Elastizitätsmodul bei Scherung.

Es darf daran erinnert werden, daß der Poisson-Koeffizient u, bei dem es sich um das Verhältnis der longitudinalen und der lateralen Deformation handelt, sich von o,l bis o,5 bewegt, wobei der Wert o,5 einem inkompressiblen Material zugeordnet ist.

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Es sei ferner daran erinnert, daß E

2(1 + u)

Man erkennt demgemäß, daß es möglich ist, durch Berechnung die Werte der Elastizitätscharakteristiken ausgehend von den Ausbreitungsgeschwindigkeiteri zu ermitteln.

Man kann solche Ausbreitungsgeschwindigkeiten messen. Beispielsweise ist auf die Veröffentlichung von McCann et al "Interbore-hole accustics measurements and their use engineering geology" in "Geophysical Prospecting", Mai 1975, zu verweisen, wo Untersuchungen beschrieben v/erden, die mit der Technik "von Loch zu Loch" durchgeführt wurden, und die es erlaubten, Horizonte oder Störungen zu ermitteln, indem man auf unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der P-Wellen in verschiedenen Tiefen aufbaute; ein analoges Verfahren ist in US-PS 2 276 635 beschrieben.

Das Verfahren "Loch zu Loch" besteht darin, daß man eine Schallquelle und den Detektor in zwei benachbarten Bohrlöchern unterbringt, vorzugsweise in solcher Tiefe, daß sie sich auf dem gleichen Horizont befinden.

Als Schallquelle wird vorteilhafterweise ein mit elektrischer Entladung arbeitender Sender verwendet, was es gestattet, die Schwierigkeiten und Komplikationen zu vermeiden, die bei Verwendung von Explosivstoffen auftreten.

Bekanntlich ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der S-Wellen niedriger als die der P-Wellen und sie erfordern einen sorgfältig abgeglichenen Empfänger.

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Andererseits erfordert die Berechnung der Modulen eine sehr genaue Kenntnis des Abstandes zwischen Sender und Empfänger, und der Fehler in der Lotrechten der Bohrlöcher ist häufig zu groß, als daß man diesen Abstand als gleich ansehen kann zu dem Abstand der Bohrlöcher an der Erdoberfläche, so daß man teure Messungen der Bohrlochneigung durchführen muß, wenn man eine bessere Genauigkeit als 15 bis 20 % erzielen will.

In US-PS 3 127 950 vermeidet man diese Schwierigkeit, indem man Sender und Empfänger im gleichen Bohrloch unterbringt. Der Abstand zwischen ihnen ist demgemäß sehr genau bekannt, doch wird es einerseits erforderlich, die parasitären Signale auszuschalten, die von der Bohrlochverrohrung oder der Bohrspülung übertragen werden, und andererseits sind die Meßwerte, die man erhalten kann, beschränkt auf Formationen, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft des Bohrlochs befinden, v/as die Notwendigkeit mit sich bringt, die Zahl der Bohrlöcher zu vervielfachen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung e ist es, diese Nachteile zu beheben und ein einfaches und praktisches Verfahren für die Bestimmung der Absolutgeschwindigkeiten der Ausbreitung der Wellen P und S anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, während die Unteransprüche vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens gemäß der Erfindung definieren. Demgemäß v/erden in dem Empfängerbohrloch mehrere und nicht nur ein Empfänger untergebracht, die empfindlich sind für die P-Wellen, und der Abstand der Empfänger übereinander ist bekannt. Mindestens

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einer der Empfänger ist so ausgebildet, daß er sowohl Kompressions- wie auch Scherwellen aufnehmen kann, während die anderen die P-Wellen empfangen können. Es werden zwei Signale vom Sender ausgesandt, wobei das eine eine relativ große Leistung hat, und das zweite eine geringere Leistung. Das erste Signal ist dazu bestimmt, von allen Empfängern empfangen zu werden, während das letztere nur von dem Empfänger aufgefangen wird,' der gleichzeitig für P- und S-Wellen empfindlich ist.

Wenn man mit hinreichender Genauigkeit die Laufzeit des ersten Signals zu den verschiedenen Empfängern ermittelt hat, da die Leistung des Signals hinreicht, um entsprechende Restimpulse zu erhalten, ist es einfach, die mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit der P-Welle abzuleiten und die Abstände, die zwischen Sender und Empfängern liegen, insbesondere den Abstand zwischen dem Sender und demjenigen Empfänger, der die P- und S-Wellen empfängt, ausgelöst durch das zweite Signal.

Dieses zweite Signal wird deshalb schwächer gewählt, damit die durch das P-Signal ausgelöste Empfängerrerregung hinreichend abgeklungen ist, dass das später eintreffende S-Signal unter den besten Bedingungen empfangen wird.

Es versteht sich, daß die Ausdrücke "erstes Signal" und "zweites Signal" nicht eine obligatorische zeitliche Abfolge definieren sollen, denn das zweite Signal kann durchaus auch vor dem ersten Signal übertragen werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung im einzelnen erläutert:

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-Sr-

Fig. 1 ist eine schemaitsche Darstellung einer

Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, und

Fig. 2Ά und 2B zeigen die von einem Darstellungsgerät aufgezeichneten Signale, das an Sender und Empfänger angeschlossen ist.

Die Anordnung umfaßt einen Sender E in einem ersten Bohrloch und eine Serie von Empfängern Rl, R2_r R3, R4 ... in einem zweiten Bohrloch.

Der Sender E ist ein Funkensender klassischer Bauart mit zwei an Hochspannung angeklemmten Elektroden in einem Rezipienten, der mit Flüssigkeit gefüllt ist (z.B. mit Salzwasser) Dieser Rezipient wird auf eine gewünschte Tiefe im Bohrloch abgesenkt, das mit Wasser oder, wenn man oberhalb des hydrostatischen Pegels arbeitet, mit einer Bohrspülung mit Bentonit oder Äquivalenten gefüllt ist.

Der Sender E ist über ein Koaxialkabel an eine Hochspannungsquelle 1 angeschlossen.

Die Empfänger sind sogenannte Hydrophon-Empfänger, die beispielsweise einen Rezipienten umfassen, der mit öl gefüllt ist, in welchem sich ein piezoelektrisches Scheibchen befindet. Die Empfänger werden auf bekannte Tiefe in das zweite Bohrloch abgesenkt, das wie das erste mit Wasser oder Bentonit gefüllt ist.

Die Empfänger sind an einen elektronischen Zeitzähler 2 angeschlossen mit einer Meßgenauigkeit in der Größenordnung von Mikrosekunden über einen SelektivKommutator 3 und einen Verstärker 4. Der Zeitzähler 2 ist außerdem an die Quelle 1 angeschlossen, von der er ein Auslösesignal im Augenblick T_Q, wenn der Funken zündet, erhält.

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Ein numerischer Drucker 5 gestattet es, eine Laufzeittabelle für das Signal P für die verschiedenen Empfänger aufzustellen, oder die Laufzeit der Signale P und S an ein- und demselben Empfänger zu erfassen.

Das Druckwerk 5 könnte ersetzt werden oder vervollständigt werden durch einen Oszillographen, der gegebenenfalls seinerseits vervollständigt wird durch ein fotografisches Aufzeichnungsgerät. Äquivalent könnte man auch ein Bandaufzeichnungsgerät vorsehen.

Man kann außerdem auch einen Rechner vorsehen, der direkt die Werte für den Young-Modul und den Poisson-Koeffizienten ermittelt und/oder die Äusbreitungsgeschwindigkeiten.

Wenn man annimmt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Wellen in dem interessierenden Horizont in Horizontal- und Vertikalrichtung gleich sind, ist die Berechnung des Abstandes zwischen den beiden Bohrlöchern in der Tiefe des Senders sehr einfach.

Es sei angenommen, daß der Empfänger R₇. dem Sender E am nächsten liegt (d.h., daß er dejenige ist, der von der Welle zuerst erreicht wird) und R₀ sei ein anderer Empfänger im gleichen Bohrloch, und t_Ä und t seien die zugeordneten Laufzeiten. Der Abstand D zwischen den Bohrlöchern ist dann gegeben in Funktion des Abstandes d zwischen R und R_n durch

Ά. Jj

D = dx

Wenn das Erdreich oder die Formation nicht als Isotrop angesehen werden kann, ist es offensichtlich erforderlich, die Berechnung etwas den tatsächlichen Verhältnissen anzupassen, was jedoch ohne weiteres vom Durchschnittsfachmann vorgenommen werden kann.

(Patentansprüche) - 8 709813/0283

Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zum Bestimmen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Kompressions- und Scherwellen im Boden, bei dem in einem ersten Boarhrloch ein Sender und in einem zweiten Bohrloch in unterschiedlicher Tiefe mehrere Empfänger angeordnet werden und die Laufzeit der Kompressionswellen von dem Sender bis zu mehreren Empfängern bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man den Vergleich zwischen den Laufzeiten der Kompressionswellen zu mehreren Empfängern für die Ableitung der genauen Entfernung zwischen dem Sender und den Empfängern heranzieht, daß man die Laufzeit der Scherwellen vom gleichen Sender zu mindestens einem der Empfänger bestimmt, und daß man aus der Entfernung zwischen dem Sender und diesem Empfänger einerseits, der letztgenannten Laufzeit andererseits die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Scherwellen ermittelt.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit dem Sender einerseits, für die Entfernungsermittlung bestimmtes intensives Signal und ein zweites, weniger intensives für die LaufZeitbestimmung der Scherwellen aussendet.

3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender eine an sich bekannte, von einem mit elektrischer Entladung arbeitenden Sender gebildete Schallquelle benutzt wird.

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