DE2813487A1

DE2813487A1 - Seismisches messverfahren und detektor zu dessen durchfuehrung

Info

Publication number: DE2813487A1
Application number: DE19782813487
Authority: DE
Inventors: Jun Ernest Marlin Hall
Original assignee: Western Geophysical Company of America
Current assignee: Western Atlas International Inc
Priority date: 1977-04-01
Filing date: 1978-03-29
Publication date: 1978-10-19
Also published as: FR2386056B1; NO149943C; FR2386056A1; NO781063L; NO149943B; NL7803500A; CA1116285A; DE2813487C2; IT1156186B; SE7803556L; BE865476A; IE46597B1; SE430544B; CH633372A5; GB1599146A; IT7848664A0; IE780645L; MX145829A

Description

- 5 BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein seismisches Meßverfahren gemäß dem Oberbegriff des HauptanSpruchs sowie einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens.

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Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Durchführung seismischer Messungen mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten Geophonen, die für ihre Funktion keine bestimmte Orientierung benötigen und insbesondere geeignet sind zum Schleppen mit einem flexiblen Zugorgan über die Erdoberfläche.

Bei seismischen Reflexions-Untersuchungen werden die reflektierten seismischen Signale mit Hilfe von Detektoren wie etwa Geophonen oder Hydrophonen abgetastet. Geophone werde üblicherweise auf dem Land und Hydrophone auf See verwendet. Geophone werden mit der Erde verbunden und sprechen auf deren Bewegungen an. Ein Hydrophon wird unter Wasser eingesetzt und spricht auf Druckänderungen im Wasser aufgrund von Erdbewegungen an. Beide Geräte können in flachen Gewässern verwendet werden und liegen üblicherweise am Boden des Gewässers. Zur Vereinfachung soll der Ausdrück "Geophon" im vorliegenden Zusammenhang auch seismische Geräte einschließen, die auf dem oder im Wasser eingesetzt werden. Die meisten gegenwärtig in der Praxis verwendeten Geophone weisen eine elektromagnetische Schaltung auf, die eine Spule und einen Magneten umfaßt, die in Bezug aufeinander beweglich sind. Ein herkömmliches Geophon spricht im wesentlichen nur auf Erdbewegungen mit einer Kraftkomponente in Richtung der Geophon- Achse «n und liefert ein elektrisches Ausgangssignal mit einer Polarität, die von der Richtung dieser Kraft abhängt.

Bei üblichen seismischen Untersuchungen werden Geophone von Hand aufrecht auf die Erdoberfläche gestellt, wobei ihre Achsen im wesentlichen mit der Senkrechten ausgerichtet sind. Wenn ein Geophon unbeabsichtigt auf der Erdoberfläche eine andere Position einnimmt, bei der seine Achse wesentlich ge-

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genüber der Senkrechten geneigt ist, oder wenn ein Geophon vollständig auf der Seite liegt, wird es in der Praxis funktionsunfähig. Wenn ein Geophon auf dem Kopf steht, erzeugt es ein Signal mit einer Polarität, die der Polarität des in der richtigen Orientierung stehenden Geophons entgegengesetzt ist. In jedem Falle führt das Ausfallen eines elektrischen Signals oder die Erzeugung eines Signals mit entgegengesetzter Polarität zu einer Beeinträchtigung der Aufzeichnungen, die bei der seismischen Untersuchung festgehalten werden.

Zur Überwindung dieses Problems können Geophone, deren senkrechte Aufstellung in der Praxis nicht möglich ist, in einer Halterung aufgehängt werden, die das Geophon ständig in die senkrechte Position bringen. Eine derartige Halterung ist beispielsweise eine Kardan-Aufhängung. In letzter .Ze.i-t ist versucht worden, Geophone an einem flachen, flexiblen, förderbandähnlichen Band aufzuhängen, das durch ein Fahrzeug gezogen wird. Das Band trägt dazu bei, die Geophone im wesentlichen aufrecht zu halten. Beim Schleppen derartiger Bänder haben sich vielfach die erwarteten Ergebnisse nicht eingestellt, so daß die Meßmannschaften in der Praxis nach wie vor die Geophone von Hand in aufrechter Position verteilen. Dies ist jedoch zeitraubend und sehr kostspielig.

Da die Suche nach Kohlenwasserstoffen ständig auf verhältnismäßig schlecht zugängliche Gelände ausgedehnt wird, stellt die Notwendigkeit, Geophone aufrecht auf der Erdoberfläche aufzustellen oder in speziellen Halterungen aufzuhängen, eine beträchtliche Belastung für die Meßarbeiten dar. Mit dieser Belastung befassen sich die Meßgeräte-Hersteller seit Jahren, obgleich ständig versucht worden ist, Geophone zu schaffen, die geschleppt werden können und keine aufrechte Position auf der Erdoberfläche benötigen.

Im Rahmen umfangreicher Vorarbeiten, die zu der vorliegenden Erfindung geführt haben, ist ein flüssigkeitsgefülltes Geo-

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phön entstanden, das in wirksamer Weise anstelle von herkömmlichen Geophonen, insbesondere elektromagnetischen Geophonen verwendet werden kann.

Beschleunigungsmesser, für die Flüssigkeiten verwendet werden, sind in den US-PS'en 3 270 565 und 3 555 543 und in der sowjetischen Patentschrift (Urheberschein) 171 676 beschrieben. Derartige flüssigkeitsgefüllte Geräte erzeugen jedoch ein Signal derselben Polarität bei allen Schwingungen, unabhängig von der Schwingungsrichtung, oder sie sind nicht geeignet für die besonderen Anforderungen, die bei seismischen Messungen gestellt werden.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnen— den Teil des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs.

Das erfindungsgemäße Gerät ist verhältnismäßig leicht, billig herzustellen und verschleißfest und benötigt insbesondere keine Aufstellung in einer bestimmten Orientierung auf der Erdoberfläche. Das erfindungsgemäße Geophon erfördert deshalb auch keine Halterung oder Aufhängung zur Selbstausrichtung. Derartige Halterungen sind teuer und den harten Einsatzbedingungen u.U. nicht immer gewachsen. Die Polarität des erzeugten Ausgangssignals kann unabhängig von der Neigung der Achse des Geophons in Bezug auf die Vertikale sein. Bei aufwärts und abwärts gerichteten Bewegungen der Erde erzeugt dieses Geophon elektrische Signale mit entgegengesetzter Polarität, wie es bei seismischen Untersuchungen notwendig ist.

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Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform ein Schleppen eines langen, flexiblen Zugorgans über die Erdoberfläche, welches Zugorgan oder Kabel flüssigkeitsgefüllte Geophone einschließt oder mitnimmt, die in Abständen auf dem Zugorgan liegen. Ein seismisches Kabel dient zur Aufnahme der einzelnen Ausgangssignale der Geophone. Jedes flüssigkeitsgefüllte Geophon liefert ein elektrisches

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Ausgangssignal mit einer Charakteristik, die der Richtung der Erdbewegung entspricht. Die Bewegung der Erde kann erzeugt werden durch eine seismische Energiequelle, die der Erdoberfläche Energie zuführt, so daß reflektierende seismisehe Signale aufgrund tieferer Erdschichten entstehen. 3ei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Geophons ist die Polarität des elektrischen Signals, das durch das Geophon abgegeben und durch das seismische Kabel an eine Verarbeitungsstation übertragen wird, im wesentlichen unabhängig von der Richtung des flexiblen Zugorgans in Bezug auf die Oberfläche und unabhängig von der Orientierung der Achsen der Geophone in Bezug auf die Senkrechte. Bei einer anderen Ausführungsform liegen die Geophone auf der Erdoberfläche in einer vorgegebenen Anordnung. Ihre Ausgangssignale werden an eine Verarbeitungsstation übertragen. Sodann werden die Geophone in eine andere Position bewegt und der Vorgang wird wiederholt.

Bei einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Geophon ein hohles, zylindrisches Gehäuse, das im Inneren eine Kammer bildet. Eine geeignete Flüssigkeit, vorzugsweise eine Flüssigkeit mit hoher Dichte, füllt die Kammer im wesentlichen aus. Die Kammer weist eine flexible Bodenplatte auf, die einen Kraft- oder Druck-Meßwandler bildet. Der Meßwandler erzeugt ein elektrisches Signal mit einer Amplitude und Polarität, die der Größe und Richtung seiner Verbiegung entsprechen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Geophons v/eist die Kammer zusätzlich zu der flexiblen Bodenplatte einen flexiblen oberen Meßwandler auf. Wenn die Achse des Geophons im wesentlichen senkrecht verläuft und dieses aufrecht steht, berührt die Flüssigkeit nur den unteren Meßwandler, während bei den meisten geneigten Stellungen .des Geophons die Flüssigkeit beide Meßwandler berührt. Wenn das Geophon auf dem Kopf steht, berührt die Flüssigkeit nur den oberen Heßwandler. Das Geophon liefert an seinen Ausgangsklemmen elektrische Signale, die den Ausgangssignalen der beiden Meßwandler entsprechen.

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Wenn zwei Meßwandler verwendet werden, müssen sie entgegengesetzt angeordnet sein. Dies bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, daß die Meßwandler wenigstens durch einen beträchtlichen Anteil der Flüssigkeit bei den meisten Positionen des Gehäuses getrennt sein müssen. Ein Meßwandler-Paar kann in getrennten Gehäusen mit getrenntem Flüssigkeitsinhalt gegenüberliegend verwendet werden. Dies kann auch durch zwei getrennte Gehäuse erreicht werden, bei denen jeweils ein Teil der Flüssigkeit in Verbindung mit einem einzigen Meßwandler vorgesehen ist.

In jedem Falle ist es vorzuziehen, daß die Empfindlichkeitsebenen der Meßwandler parallel zueinander liegen, und insbesondere daß diese Ebenen senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den Meßwandlern liegen.

Die Meßwandler erzeugen Ausgangssignale, die dem Druck entsprechen, der auf die Meßwandler durch Zusammenwirken der Fluidmasse und der Meßwandler aufgrund von Schwingungen der Erdoberfläche bei der Reflexion seismischer Signale ausgeübt wird. Insbesondere spricht das Geophon in erster Linie auf Beschleunigungen der Erdoberfläche an. Der artige Beschleunigungen oder Schwingungen liegen üblicherweise im Bereich von 10 bis 1.000 Hertz und in der Größenordnung von weniger als 3% der Erdbeschleunigung. Diese Schwingungen der Erdoberfläche, auf die das Gerät anspricht, haben üblicherweise senkrechte und waagerechte Komponenten. Die Empfindlichkeit eines jeden Geophons in Bezug auf senkrechte 'und waagerechte Schwingungskomponenten kann beeinflußt werden durch die Art, in der die Ausgangssignale der einzelnen Meßwandler paarweise miteinander kombiniert werden.

Die Geophone können so ausgelegt werden, daß sie vor allem auf vertikale Schwingungskomponenten ansprechen, indem die einzelnen Meßwandler-Ausgangssignale addiert werden. Die Polarität der Summe zeigt sodann die Richtung der senkrechten Komponente unabhängig von der Orientierung des Geophone in Be-

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zug auf die Senkrechte an. Diese positive Polarität kann dazu verwendet werden, senkrechte Komponenten in Richtung des Erdmittelpunkts anzuzeigen, während eine negative Polarität auf senkrechte Komponenten hinweist, die vom Erdmittelpunkt abgewandt sind. Wenn die Abmessungen der Kammer und die Proportionen des mit Flüssigkeit gefüllten Bereichs der Kammer sorgfältig ausgewählt werden, kann die Amplitude der Summe bei einer gegebenen senkrechten Komponente konstant sein, und zwar unabhängig von der Orientierung des Gehäuses. Die Komponenten des Ausgangssignals der einzelnen Meßwandler, die durch waagerechte Schwingungen erzeugt werden, weisen einander entgegengesetzte Polaritäten und gleiche Beträge auf, Sie heben sich daher gegenseitig auf, wenn sie addiert werden,

Auf der anderen Seite können die Ausgangssignale der Meßwandler auch durch Subtraktion kombiniert werden. Wenn die' Geophone im wesentlichen auf der Seite liegen, so ist das durch Subtraktion gebildete Signal proportional zu den waagerechten Schwingungskomponenten. Alle Signale, die vertikale Bewegungen wiedergeben, werden durch Subtraktion aufgehoben, da in dieser Lage die Ausgangssignale der Meßwandler, die aufgrund senkrechter Schwingungskomponenten erzeugt werden, im Betrag gleich sind und gleiche Polarität haben.

Es ist daher insbesondere zweckmäßig, die Geophone im wesentlichen auf die Seite zu legen und die Ausgangssignale aller Meßwandler paarweise getrennt aufzuzeichnen. Die Signale können anschließend durch Addition oder Subtraktion kombiniert werden, so daß sie sowohl waagerechte als auch senkrechte Schwingungskomponenten wiedergeben, ohne daß die Geophone in eine andere Orientierung gebracht werden müssen.

Weitere Paare gegenüberliegend angeordneter flexibler Meßwandler können zur Vergrößerung der Genauigkeit und der Amplitude der Ausgangssignale verwendet werden.

Die Ausgangssignale der Meßwandler jedes Meßwandler-Paares

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können durch Addition und/oder Subtraktion parallel oder in Reihe kombiniert werden, und die Signale anderer Meßwandler können getrennt je nach Bedarf übertragen werden.

5 Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

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Fig. 1

Fig. 2

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ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform eines Geophons;

veranschaulicht die Arbeitsweise des Geophons bei verschiedenen Neigungen zwischen der aufrechten und der umgekehrten Position bei aufwärtsgerichteten Erdbewegungen;

Fig. 3 entspricht Fig. 2, bezieht sich jedoch auf abwärts gerichtete Erdbewegungen;

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Fig. 4 veranschaulicht die Anordnung der Geophone an einem gezogenen seismischen Kabel;

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Fig. 5' veranschaulicht ein Verfahren zur seismischen Messung;

Fig. 6

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Fig. 7

Fig. 8 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 1, bezieht sich jedoch auf eine Vereinfachte Ausführungsform eines Geophons;

entspricht Fig.. 2, bezieht sich jedoch auf das Geophon der Fig. 6;

ist eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses für das Geophon;

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Fig. 9

Fig. 10

Fig. 11

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zeigt die Anbringung des Geophon-Gehäuses der Fig. 8 an einem seismischen Verteilerkabel und die Verwendung des Kabels für Messungen gemäß Fig. 5;

ist ein Schnitt durch ein Geophon mit rechtwinkligem Querschnitt;

ist ein Schnitt durch ein Geophon mit elliptischem Querschnitt.

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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Flüssigkeits-Geophons 10 umfaßt ein Gehäuse 12 aus Metall mit zylindrischem Querschnitt (Fig. 1). Das Gehäuse 12 kann ebenfalls einen rechtwinkligen Querschnitt (Fig.10), einen elliptischen Querschnitt (Fig. 11) oder einen gegenüber diesen Formen abgewandelten Querschnitt aufweisen, und zwar in Abhängigkeit von der gewünschten Empfindlichkeit des Ansprechverhaltens.

Gemäß Fig. 1 weist das Gehäuse 12 obere und untere Deckel 14 und 16 auf, die einen inneren zylindrischen Hohlraum 18 hermetisch abdichten. Ein geschlitzter Ring 20 liegt auf dem unteren Deckel 14 und bildet eine Abstützung für eine kreisförmige leitende Platte 22, mit deren unterer Oberfläche ein Quarz bzw. Kristall 24 verbunden ist, der eine Silberelektrode 26 aufweist. Entsprechende Teile sind jeweils mit gleichen Bezugsziffern unter Hinzufügung eines Striches bezeichnet. Ein geschlitzter Ring 20' liegt auf dem oberen Deckel 16 und bildet eine Abstützung für eine kreisförmige, leitende Platte 22', auf deren oberer Oberfläche ein Quarz oder Kristall 24' mit einer Silberelektrode 26' befestigt ist. Das Gehäuse ist mit einer rohrförmigen Kunststoff-Auskleidung 30 versehen (Fig. 1,10,11), die sich zwischen den Deckeln 14,16 erstreckt. Die Platten 22,22' liegen gegen O-Ringe 32,32' an, die sich ihrerseits auf Schultern 33,33' der Auskleidung 30 abstützen.

Die Platten 22,22' sind auf den Schultern 33,33' mit Hilfe der Ringe 20,20' festgelegt. Die Platten 22,22' sind flexibel, und ihre Verbiegungen werden durch die Kristalle 24,24' abgegetastet. Auf diese Weise bietet jede Platte mit dem auf dieser befestigten Kristall einen herkömmlichen Kraft- oder Druck-Meßwandler. Die Meßwandler sind insgesamt mit 27,27' bezeichnet.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung soll davon ausgegangen werden, daß die Meßwandler 27,27' so montiert sind, daß sie Signale derselben Polarität erzeugen, wenn eine Kraft oder ein Druck eine Ausbiegung aus der Richtung der Flüssigkeit 36 hervorruft. Es können zwei zusätzliche, entge-

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gengesetzt montierte, flexible, nicht gezeigte Meßwandler vorgesehen sein, die die Genauigkeit und die Amplitude der Ausgangssignale vergrößern.

Das Gehäuse kann auch aus einem anderen Material als Metall bestehen, wie etwa Kunststoff, so daß die Auskleidung 30 entfallen kann. Die Platten 22,22' müssen nicht aus leitendem Material bestehen, ausgenommen in dem Ausmaß, daß eine elektrische Verbindung mit den Kristallen 24,24' hergestellt ist.

Die Ausgangssignale des Druck-Meßwandlers 27 werden durch zwei Leitungsdrähte 51,52 abgeführt und die Ausgangssignale des Druck-Meßwandlers 27' werden durch zwei Leitungsdrähte 51',52' aufgenommen. Die Leitungsdrähte 51,52 gehen durch einen Schlitz 53 in dem Ring 20, eine Längsnut 54 in der Wand der Auskleidung 30 und einen Schlitz 53' in dem Ring" 20' hindurch. Die Ausgangssignale der Leitungsdrähte 51,52 und 51', 52' können addiert werden, und zwar entweder in Reihe oder parallel, und sie gelangen an zwei Ausgangsklemmen 56,58, die sich durch den oberen Deckel 16 erstrecken. Andernfalls können die Leitungsdrähte 51,52,51' ,52' mit vier nicht gezeigten Ausgangsklemmen verbunden sein.

Wenn die Leitungsdrähte mit vier Ausgangsklemmen verbunden sind, können die Ausgangssignale jedes Meßwandlers getrennt aufgezeichnet oder in anderer Weise verwendet werden. Eine Addition oder Subtraktion kann während der Aufzeichnung oder danach erfolgen. Als weitere Alternative können die Ausgangssignale der Leitungsdrähte 51,52 und 51',52' in Reihe oder parallel an den Ausgangsklemmen 56 subtrahiert werden.

Der Innenraum zwischen den Meßwandlern und der Innenwand der Auskleidung 30 ist als Kammer 34 ausgebildet, die im wesentlichen, jedoch nicht vollständig mit der Flüssigkeit 36 gefüllt ist, die als träge Masse des Geophons 10 dient. Es ist daher wünschenswert, daß die Flüssigkeit 36 eine hohe Dichte aufweist. Eine geeignete Flüssigkeit ist beispielsweise Queck-

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silber. Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform nimmt die Flüssigkeit 36 etwa 90% der Kammer 34 ein, so daß deren Volumen zu etwa 10% für Ausdehnungen der Flüssigkeit aufgrund von Temperaturänderungen innerhalb des Betriebsbereiches des Gerätes zur Verfügung stehen.

Der Ausdruck "im wesentlichen" gefüllt in Bezug auf die Flüssigkeit in der Kammer schließt alle Füllungsgrade oberhalb von 50% ein, bei denen der obere Meßwandler wenigstens teil-"

TO weise von der Flüssigkeit getrennt wird, wenn das Geophon in aufrechter Stellung steht» Als Flüssigkeit kommen hier auch andere Fluide, wie etwa pülverförmige Metalle in Betracht, die als träge Masse in Geophonen der beschriebenen Art verwendet werden können.

Anschließend soll anhand von Fig. 2 und 3 die Wirkung der tragen Flüssigkeit 36 auf die Meßwandler 21,21^l beschrieben werden. In Fig* 2 und 3 sind nur die funktionell wesentlichen Teile des Geophons gezeigt, d.h. die Auskleidung 30 und der untere und obere Meßwandler 27,27'. Die durchgezogenen Linien veranschaulichen die Positionen der flexiblen Platten 22, 22' in der Ruhestellung der Meßwandler, und die gestrichelten Linien beziehen sich auf die ausgebogenen Stellungen, die durch den Druck der trägen Flüssigkeit erzeugt werden, die auf die Erdbewegung reagiert.

In Fig. 2 ist das Geophon 10 oberhalb der Erdoberfläche 40 in verschiedenen Winkeln zwischen einer aufrechten Position A und einer umgekehrten Position B gezeigt. Es soll angenommen werden, daß die Erde Aufwärtsbewegungen entsprechend den Pfeilen 42 ausgesetzt ist, die auf die träge Flüssigkeit 36 übertragen werden, die ihrerseits eine Kraft oder einen Druck nach außen in Bezug auf die Achse der Auskleidung 30 erzeugt. Daher wird in der Position A der Meßwandler 27 nach außen in Richtung des Deckels 14 gebogen, während der Meßwandler 27' nach keiner Seite verbogen wird, da er von der tragen Flüssigkeit 36 getrennt ist. In der Position B

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bei einer Neigung von 45° gegenüber der Senkrechten wird der Meßwandler 27 nach außen in Richtung des Deckels 14 und der Meßwandler 27' nach außen in Richtung des Deckels 16 gebogen. Das gleiche gilt für die Position C, also eine Neigung von 90°, in der das Geophon vollständig auf der Seite liegt, und für die Position D, also eine Neigung von 135°. Bei der vollständig umgekehrten Stellung E oder einer Neigung von 180° wird der Meßwandler 27' nach außen in Richtung des Deckels 16 gebogen, während der Meßwandler 27 nicht gebogen wird, da er in dieser Position von der Flüssigkeit 36 getrennt ist.

Daher werden bei allen Positionen zwischen 0 und 180° in Bezug auf die aufrechte Position A eine oder beide Meßwandler 27,27' nach außen verformt. Die Meßwandler 27,27' erzeugen daher elektrische Signale 43 derselben Polarität für alle Verbiegungen nach außen.

Wenn der Füllungsgrad der Flüssigkeit 36 in der Kammer 34 vergrößert wird, stellt sich ein weiterer Effekt ein. Bei ausreichend hoher Füllung kommt der obere Meßwandler in der senkrechten Position nicht mehr vollständig von der Flüssigkeit 36 frei, obgleich diese den Meßwandler nicht vollständig berührt. Daher kann der Meßwandler 27' in der Position A ebenso wie der Meßwandler 27 in der Position E nach innen verformt werden, wenn sich die Erde entsprechend den Pfeilen 42 nach oben bewegt. In diesem Falle liefert der obere Meßwandler ein Ausgangssignal entgegengesetzter Polarität. Die Amplitude dieses Signals mit entgegengesetzter Polarität ist in jedem Falle nicht größer als die Amplitude des Ausgangssignals des unteren Meßwandlers. Das Ausgangssignal 43, das die Summe der Ausgangssignale der Meßwandler 27, 27' darstellt, weist daher stets dieselbe Polarität bei allen senkrechten Komponenten in derselben Richtung unabhängig von der Orientierung des Geophons in Bezug auf die Senkrechte auf.

Der Füllungsgrad der Kammer 34 hat einen unterschiedlichen Einfluß auf die Amplitude des Ausgangssignals 43 in der Po-

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sition A oder E einerseits und in den Positionen B,C oder D andererseits. Die Änderung der Amplitude des Signals 43 bei denselben Beschleunigungen in verschiedenen Orientierungen des Geophons kann daher in gewissem Umfange gesteuert werden durch Änderung des Füllungsgrades der Kammer 34. Die Amplitude des Ausgangssignals eines Meßwandlers im Verhältnis zu einer bestimmten Erregungsamplitude wird in erster Linie gesteuert durch die Höhe der Flüssigkeit oberhalb des Meßwandlers in der bestimmten Orientierung..

Die teilweise Trennung eines Meßwandlers von der Flüssgkeit in bestimmten Orientierungen kann dazu verwendet werden, ein Geophon zu bilden, bei dem die Empfindlichkeit, d.h. das Verhältnis von Amplitude des Ausgangssignals zu der Amplitude der abgetasteten Bewegungskomponente nicht durch die Orientierung des Geophons in Bezug auf die Senkrechte beeinflußt wird.

Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis des Durchmessers zu der Höhe der eingeschlossenen

Flüssigkeitssäule 36 so gewählt, daß die Amplitude der Signale 43 im wesentlichen bei allen Positionen A bis E, d.h. von der Senkrechten bis zu der umgekehrten Position gleichbleibt.
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Das Geophon 10 kann daher bei geophysikalischen Untersuchungen zur Abtastung seismischer Reflexionen ohne sorgfältige Ausrichtung verwendet werden. Eine Anzahl von Geophonen kann in beliebiger Orientierung eingesetzt"werden und erzeugt Ausgangssignale mit korrekten Amplituden und Polaritäten zur Wiedergabe der senkrechten Beschleunigungskomponenten der Erdoberfläche.

Das Geophon 10 kann so ausgelegt werden, daß es nur auf senkrechte Komponenten anspricht. Dies beruht darauf, das waagerechte Komponenten die Meßwaridler 27 und 27' in einer Weise ansprechen lassen, bei der sich die Wirkung durch Addition

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der Ausgangssignale bei der Bildung des Signals 43 aufheben.

Der Einfluß einer waagerechten Komponente soll am Beispiel einer Beschleunigung von links nach rechts erläutert werden. Daraus ergibt sich zugleich die Wirkungsweise einer waagerechten Komponente in beliebiger Richtung. In der Position A haben waagerechte Komponenten keinen Einfluß auf beide Meßwandler, da die Beschleunigung parallel zu der Oberfläche der Meßwandler erfolgt. In der Position B wird der Meßwandler 27' nach innen und der Meßwandler 27 nach außen verformt. Dasselbe gilt für die Position C und D. In der Position E tritt wiederum keine Wirkung ein. In der Position C ist das Ausmaß der Verbiegung und damit die Amplitude der Ausgangssignale der Meßwandler 27 und 27' gleich. In der Position B und D kann das Verhältnis zwischen Durchmesser und Höhe der eingeschlossenen Flüssigkeitssäule, bezogen auf die-Position A, gewählt werden, und der Füllungsgrad der Kammer 34 mit Flüssigkeit 36 kann so eingestellt werden , daß die Amplituden der Ausgangssignale der Meßwandler 27 und 27' etwa gleich sind. Da diese Signale eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, heben sie sich auf, wenn die Ausgangssignale der Meßwandler 27 und 27' zu dem Signal 43 addiert werden. Auf diese Weise kann das Geophon 10 so eingestellt werden, daß es nur auf senkrechte und nicht auf waagerechte Beschleunigungskomponenten anspricht. Daher verbleit die Abtastachse des Geophons 10 automatisch in der senkrechten Stellung, unabhängig von der tatsächlichen Orientierung des Geräts.

Wie oben angegeben wurde, sind die Amplituden der Ausgangssignale aufgrund waagerechter Beschleunigungskomponenten in der Position C gleich, jedoch in der Polarität entgegenge~ setzt. Wenn diese Signale durch Subtraktion kombiniert werden, werden sie nicht aufgehoben, sondern verstärken einander. Das Signal 43, das auf diese Weise gebildet wird, ist daher proportional zu der Wirkung der waagerechten Komponenten. Außerdem sind die Ausgangssignale aufgrund senkrechter Beschleunigungskomponenten, die durch die Meßwandler 27 und

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27' in der Position C erzeugt werden, gleich und mit gleicher Polarität versehen. Eine Kombination durch Subtraktion führt daher zur Aufhebung. Wenn die Ausgangssignale der Meßwandler 27 und 27* in der Position C durch Subtraktion kombiniert werden, geht das Ausgangssignal 43 auf den Einfluß waagerechter, nicht jedoch senkrechter Komponenten zurück. Wenn die Orientierung des Geophons aus der Position C in die Position B oder D geändert wird, wird die Amplitude des Ausgangssignales 43, das durch Subtraktion entsteht, als Funktion des Kosinus des Orientierungswinkels in Bezug auf die Waagerechte geändert. Wenn die Position A oder E erreicht sind, ist das Ausgangssignal 43 nicht mehr repräsentativ für waagerechte Beschleunigungskomponenten.

Es ist daher insbesondere zweckmäßig, eine Anzahl von Geophonen 10 in im wesentlichen waagerechter Stellung zur Abtastung reflektierter seismischer Signale zu verwenden. Die Ausgangssignale der einzelnen Meßwandler 27 und 27' können sodann getrennt zu einer Verarbeitungseinrichtung übertragen werden, durch die sie durch Addition und Subtraktion kombiniert oder aufgezeichnet und anschließend kombiniert werden, so daß sowohl senkrechte als auch waagerechte Komponenten für dieselbe Position der Erdoberfläche durch ein Geophon ohne Änderung der Orientierung festgestellt werden können.

Fig. 3 entspricht weitgehend Fig. 2, ausgenommen daß die Erdbewegung, die durch die Pfeile 42' wiedergegeben ist, nach unten gerichtet ist, so daß eine Einwärtsverbiegung aufgrund eines Nachlassens des statischen Druckes der trägen Flüssigkeit und der Federwirkung der flexiblen Platten 22,22' eintritt.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, biegen sich die Meßwandler 27,27' in allen Positionen A bis E des Geophons TO nach innen, d.h. fort von ihren jeweiligen Deckeln 14,16. Die Meßwandler 27, 27' erzeugen daher elektrische Signale 43' mit einer Polarität, die der Polarität der elektrischen Signale 43 der MeB-

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wandler 27,27' bei einer Aufwärtsbewegung der Erde gemäß Fig. 2 entgegengesetzt gerichtet ist.

Die Konstruktion des Geophons 10 ermöglicht auf verhältnismäßig einfache Weise eine Aufrechterhaltung des gewünschten Verhältnisses zwischen der Masse der trägen Flüssigkeit 36 und der Masse der übrigen Komponenten des Geophons einschließlich des Gehäuses 12 bei einem Wert über 1. Ein derartiges Verhältnis ist für seismische Untersuchungen zweckmäßig, wie aus der US-PS 3 067 404 hervorgeht. Bei den bekannten Geophonen mit Einrichtungen zur selbsttätigen Ausrichtung, wie etwa kardanischen Aufhängungen zur Orientierung des Geophons kann das gewünschte Verhältnis aufgrund des Gewichtes dieser Aufhängung in der Praxis nicht erreicht werden.

Fig. 6 zeigt eine weitere, in gewisser Weise weniger günstige Ausführungsform der Erfindung am Beispiel eines Geophons 10'. In dem Geophon 10' wird nur ein einziger, bodenseitiger Meßwandler 27 verwendet, und der Meßwandler 27' ist durch eine starre Platte 80 ersetzt. Im übrigen stimmen die Geophone 10 und 10' überein.

Fig. 7 zeigt verschiedene Neigungen A bis E des Geophons 10' ähnliche den Positionen A bis E des Geophons 10 in Fig. 2.

Bei der senkrechten Position A ist das Ausgangssignal S₁ des Geophons 10' in der Amplitude und Polarität gleich dem Ausgangssignal 43 des Geophons 10 in dessen aufrechter Position, sofern aufwärts gerichtete Erdbewegungen entsprechend dem Pfeil 42a eintreten. Wenn das Geophon 10' nach und nach geneigte Stellungen bis hin zu der umgekehrten Position E einnimmt, nimmt die Amplitude des Ausgangssignals ab, wie durch die verringerte Amplitude der Signale S_, S₃ und S. wiedergegeben ist, die in den Positionen B,C und D entstehen. Das Ausgangssignal S₁. ist im wesentlichen gleich 0, wenn das Geophon 10' umgekehrt steht. Die Polarität der Signale S₁ bis S₄ ist jedoch die gleiche wie die Polarität des Signals 43 gemäß Fig. 2. Bei diesem Vergleich mit dem Signal 43 des Geo-

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phons 10 bleibt der Einfluß der entgegengesetzt; gerichteten Polarität des Ausgangssignals des oberen Meßwandlers unberücksichtigt. Das Geophon 10 oder10' kann in einem geeigneten Gehäuse 60 (Fig. 4) untergebracht werden, das - durch eine elastische Hülse geschützt ist, deren Enden in geeigneter Weise mit Hilfe eines Bandes 65 mit der Außenhülse eines schleppbaren seismischen Kabels 62 verbunden ist. Zwei Leitungsdrähte 66,6.7 verbinden die Ausgangsklemmen des Geophons mit zwei Leitern in dem seismischen Kabel 62. Wenn eine Empfindlichkeit in Bezug auf senkrechte und waagerechte Beschleunigungskomponenten erwünscht ist, können zwei zusätzliche, nicht gezeigte Leitungsdrähte das Geophon mit zwei weiteren nicht gezeigten Leitern in dem seismischen Kabel 62 verbinden.

In dem seismischen Kabel 62 können eine Anzahl von in geeigneten Abständen liegenden und miteinander verbundenen Geophonen vorgesehen sein. Entsprechend einem wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung kann jedes der Geophone auf der Seite liegen, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, und trotzdem vollständig funktionsfähig sein, wie aus Fig. 2 C, 3 C und 7 C hervorgeht, und nach oben oder nach unten gerichtete Erdbewegungen entsprechend den Pfeilen 42 und 42' abtasten.

Entsprechend einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das seismische Kabel 62 zusammen mit den eingeschlossenen Geophonen mit Hilfe eines seismischen Schleppwagens 72, der eine Verarbeitungseinrichtung , wie etwa eine Aufzeichnungseinrichtung 73 zur Aufnahme der Signale des Kabels 62 aufweist, gezogen. Das Kabel 62 kann von einer Trommel 70 abgewickelt oder auf diese aufgewickelt werden, und die Energie zur Durchführung der seismischen Untersuchungen kann durch eine geeignete Energiequelle geliefert werden.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist jedes Geophon 10 in einem Gehäuse 90 (Fig. 8) untergebracht, und die Ausgangsklemmen der Geophone sind mit einem kurzen Zuleitungskabel 91 verbunden, das von einem Verteilerkabel

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93 ausgeht. Die Meßraannschaft legt das Verteilerkabel 93 auf die Erdoberfläche, wobei die Gehäuse 90 in beliebiger Stellung liegen können, bei der es auf die Beziehung zur senkrechten Richtung nicht ankommt. Wenn die Gehäuse 90 jedoch Geophone 10' enthalten, sollten sie auf der Erdoberfläche 40 nicht umgekehrt stehen, so daß verhindert wird, daß die träge Flüssigkeit 36 die Platte 22 des einzigen Meßwandlers 27 gemäß Fig. 7 E freigibt.

Anstelle der Kristall-Drucksensoren 24,24', die üblicherweise aus piezo-keramischem Material bestehen, können ebenfalls andere Drucksensoren verwendet werden.

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Claims

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld

Triftstraße 4 Siekerwall 7

WG-292GER -

St/ge

29. März 1978

Western Geophysical Company of America, 10001 Richmond
Houston, Texas . U.S.A. 77042

Seismisches Meßverfahren und Detektor zu dessen Durchführung

PRIORITÄT: 1. April 1977, U.S.A., No. 783,531 16. März 1978, U.S.A., No. 887,165

PATENTANSPRÜCHE

Xj Seismisches Meßverfahren, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß man eine Anzahl von seismischen Detektoren, die im wesentlichen mit einer Fluidmasse gefüllt sind, in beliebiger Verteilung auf der Erdoberfläche anbringt, daß man die durch die Fluidmassen als Ergebnis von Schwingungen aufgrund reflektierter seismischer Signale erzeugten Drücke mit zwei gegenüberliegend angeordneten Druck-Meßwandlern in jedem Detektor mißt

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und daß man die Ausgangssignale der beiden Meßwandler eines Detektors kombiniert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausgangssignale der Meßwandler zur Bestimmung ausschließlich senkrechter Schwingungskomponenten addiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß man den Füllungsgrad des Detektors so einstellt, daß die Empfindlichkeit des Detektors auf senkrechte Schwingungskomponenten in allen Orientierungen des Detektors gleich ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic hn e t, daß man die Detektoren in waagerechter Lage anordnet und die Ausgangssignale durch Subtraktion zur Bestimmung ausschließlich waagerechter Schwingungskomponenten kombiniert.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale durch Addition und Subtraktion zur getrennten Bestimmung der senkrechten und waagerechten Schwingungskomponenten kombiniert werden.
6. Seismischer Detektor zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gehäuse, das im Inneren eine Kammer sowie zwei Druck-Meßwandler und eine Fluidmasse innerhalb der Kammer umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidmasse (36) die Kammer (34) im wesentlichen, jedoch nur bis zu einem bestimmten Anteil ausfüllt und daß die Meßwandler (27,27') gegenüberliegend derart angeordnet sind, daß einer der Meßwandler (27') bei bestimmten Orientierungen des Detektors wenigstens teilweise von der Fluidmasse getrennt ist.
7. Detektor nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Kombinationsschaltung zur Kombination der Ausgangs-

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- 3 signale der Meßwandler (27,27') durch Addition.
8. Detektor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des mit der Fluidmasse gefüllten Bereichs der Kammer (34) so gewählt sind, daß der Detektor in gleicher Weise auf senkrechte Schwingungskomponenten unabhängig von der Orientierung des Gehäuses anspricht.
9. Detektor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungsgrad der Kammer (34) so gewählt ist, daß die Amplitude der Summe der Ausgangssignale der Meßwandler (27,27') bei senkrechten Schwingungskomponenten jeder Orientierung in Bezug auf das Gehäuse (12) im wesentlichen gleich sind.
10. Detektor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine Kombinationsschaltüng zur Kombination der Ausgangssignale der Meßwandler (27,27') durch Subtraktion zur Messung waagerechter Schwingungskomponenten bei im wesentlichen waagerechter Lage des Detektors (10').
11. Detektor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch

g e k e η η zeichnet, daß die Fluidmasse (36) im wesentlichen zwischen den Meßwandlern (27,27') liegt.
12. Detektor nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch

g e k e η η ζ e ic h η e t, daß die Empfindlichkeitsebenen der beiden Meßwandler (27,27') parallel liegen. 30
13. Detektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeitsebenen senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den Meßwandlern (27, 27') liegen.

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14. Detektor nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß jeder Meßwandler (27,27')

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eine flexible Platte (22,22')/ die die innere Kammer (34) begrenzt, und eine Einrichtung (24,24*) zur Abtastung einer Verbiegung der flexiblen Platte umfaßt.
15. Detektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung ein piezo-elektrisches Kristall (24,24') ist.
16. Detektor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch g e k e η nzeichnet, daß die innere Kammer (34) die Form eines geraden Kreiszylinders aufweist und daß die flexiblen Platten (22) kreisförmige Stirnflächen dieses Zylinders bilden.
17. Detektor nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (34) zwei getrennte Bereiche umfaßt, deren jede einen Teil der Fluidmasse und einen zugeordneten Meßwandler (27,27') umfaßt.

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