DE3503488C2

DE3503488C2 -

Info

Publication number: DE3503488C2
Application number: DE3503488A
Authority: DE
Inventors: Ernst 3014 Laatzen De Nolte
Original assignee: Prakla Seismos GmbH
Current assignee: Geco Prakla GmbH
Priority date: 1985-01-30
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1990-10-11
Also published as: DE3503488A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur echometrischen räum lichen Ausmessung einer unterirdischen Kaverne mit Hilfe von Ultraschall nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens ge mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Unterirdische Hohlräume werden in den letzten Jahren ver stärkt durch Aussolung gewonnen. Insbesondere dient die Her stellung dieser Hohlräume zur Lagerung von Rohölen und an deren Kohlenwasserstoffen. Bei der Aussolung derartiger Hohlräume ist es wünschenswert, die räumliche Entwicklung der Kaverne im Verlaufe des Solprozesses zu überwachen und nach Fertigstellung und während des Betriebes laufend zu überwachen. Dazu ist es beispielsweise aus der FR 23 56 955 bekannt, Echomeßverfahren mit Hilfe von Ultraschall-Impul sen einzusetzen, mit deren Hilfe Form und Größe einer aus gesolten Kaverne bestimmt werden. Die mit einem drehbaren Meßkopf ausgerüstete Sonde wird an einem Kabel in die zu messende Kaverne eingelassen. Durch Echo-Laufzeitmessungen in horizontalen Ebenen wird der Abstand zwischen Kaver nenwand und Sonde gemessen.

Bei dem bekannten Verfahren wird die Sonde nacheinander auf verschiedene Teufen gefahren und dann durch Drehung des Wand lersystems um 360° ein Rundsicht-Diagramm aufgenommen. Nach Verfahren um eine vertikale Wegstrecke wird erneut ein Rund sicht-Diagramm aufgenommen. Die Richtungsbestimmung wird mit einem Kompaß durchgeführt. Sobald sämtliche Diagramme er stellt sind, kann unmittelbar ein Horizontalprofil für je de beliebige Teufe erstellt werden. Durch Zuordnung ver schiedener Meßwerte der gleichen Horizontalrichtung aber verschiedener Teufe kann mittelbar ein Vertikalprofil er stellt werden. Wie die Vertikalprofile im einzelnen ermit telt werden, ist dieser Druckschrift jedoch nicht zu ent nehmen.

Aus der GB 14 50 577 ist es bekannt, einzelne Vertikalpro file dadurch zu ermitteln, daß die Sonde mit einem Azimut regelkreis in einem bestimmten Winkel festgehalten wird und dann durch Verändern der Stellung von Reflektoren die Ka verne über einen begrenzten Winkelbereich in vertikaler Richtung abgetastet wird. Die Ausmessung erfolgt mit Hilfe von Lichtstrahlen. Diese Sonde mißt die Kaverne in drei Haltestellungen aus. Die Bestimmung des Haltepunktes in nerhalb der Kaverne wird durch obertägige Bestimmung der Kabellänge festgestellt oder alternativ durch eine Ultra schallmessung von der Sonde zum Boden der Kaverne.

Die durch die Sonde ermittelten Profilschnitte müssen zur Er mittlung eines Gesamtprofils der Kaverne von Hand aneinander gesetzt werden. Die Verwendung von Lichtstrahlen weist außer dem erhebliche Nachteile auf, da gefüllte Kavernen auf diese Weise nicht ausgemessen werden können. Es ist ferner nachtei lig, daß ebenso wie in der eingangs angegebenen Druckschrift auch hier nach Anhalten der Sonde in einer Meßhöhe eine Ruhe pause eingehalten werden muß, um Seilschwingungen zu dämpfen.

Die DE-OS 27 03 413 weist diesen Nachteil zwar nicht auf, da hierbei die Meßsonde an einem festen Gestänge befestigt ist, das von der Oberfläche aus in Horizontalrichtung gedreht wird. Die Ermittlung der vertikalen Ausdehnung des Hohlrau mes erfolgt über eine schrittweise Höhenverstellung der Sonde. Dieses Verfahren ist nur für geringe Tiefen unter halb der Oberfläche verwendbar. Für tiefere Hohlräume ist eine Drehung über ein Gestänge nicht mehr möglich. Die hier vorgenommene Winkelbestimmung bzw. Verstellung der Sonde von der Oberfläche her ist daher auf geringe Tiefen be schränkt.

Schließlich zeigt die DD 46 190 eine Ultraschall-Bohrloch sonde mit einer Azimut-Meßeinrichtung zur Festlegung der räumlichen Orientierung eines ausgesandten Ultraschallim pulses. Jeweils nach einer Drehung der Sonde um einen be stimmten Winkel erfolgt zyklisch eine Azimutbestimmung und Ultraschallmessung.

Es hat sich gezeigt, daß in vielen Fällen, insbesondere bei der Überwachung bereits ausgesolter Kavernen, eine Ausmes sung der gesamten Kaverne nicht mehr erforderlich ist. Es genügt häufig, bestimmte vertikale oder horizontale Winkel bereiche auszumessen, um z. B. Veränderungen der Kaverne an kritischen Stellen oder oder Hintersolungen zu erfassen. Beim erstmaligen Aussolen einer Kaverne ist es häufig auch nicht erforderlich, die gesamte Kaverne auszumessen, da die ses im übrigen eine relativ lange Zeit erfordert, während der die Aussolungsarbeiten ruhen müssen.

Der Erfindung liegt ausgehend von der FR 23 56 955 die Auf gabe zugrunde, ein Verfahren zur räumlichen Ausmessung einer unterirdischen Kaverne mit Hilfe von Ultraschall sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben, mit deren Hilfe ein schnelles vertikales Aus messen von in größerer Tiefe liegenden unterirdischen Ka vernen, insbesondere für abgegrenzte Winkelbereiche der Kavernenwand, möglich ist, und wobei unmittelbar vertikale Profilschnitte hoher Genauigkeit ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 3 an gegebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Meßsonde zwischen dem untersten und dem höchsten Meßpunkt kontinuierlich unter gleichzeitiger Aussendung und Empfang von Ultraschallimpul sen bewegt. Während der Bewegung erfolgt gleichzeitig eine azimutale Winkelbestimmung und eine Nachführung der Wandler in horizontaler Richtung bei Abweichen von einem vorgege benen Winkel. Durch diese Maßnahme können unmittelbar ver tikale Profile erzeugt werden, die sich auf einen ganz be stimmten Winkel gegenüber einer Bezugsrichtung beziehen. Für jeden azimutalen Winkel ist zwar eine eigene Meßfahrt erforderlich, sofern nicht mehrere in verschiedenen Winkeln angeordnete Wandler vorhanden sind, jedoch ist es nicht er forderlich, daß jeweils auf einer bestimmten Teufe zunächst ein Horizontal-Rundsichtdiagramm registriert wird, aus dem dann mittelbar ein Vertikalprofil errechnet wird. Bei Be schränkung auf einen kleinen Winkelbereich bzw. einen be stimmten Winkel läßt sich damit sehr schnelles Ermitteln des gewünschten Vertikalprofils erreichen.

Die Nachsteuerung der Wandler in horizontaler Richtung er folgt mit Hilfe eines Kreisel- oder Magnetkompasses. Die durch die Eigendrehung des Tragseils bewirkte horizontale Verdrehung der Meßsonde bei einer Meßfahrt kann auf diese Weise eliminiert werden. Gleichzeitig ist kein Anhalten während der Meßfahrt erforderlich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Sonde.

Fig. 2 zeigt ein Vertikalprofil, das mit einer erfin dungsgemäßen Sonde ausgemessen wurde.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die in Fig. 1 dargestellte Sonde an einem Bohrloch-Kabel in die teilweise oder ganz ausgesolte Kaverne herabgelassen und in kontinuier licher Fahrt zwischen dem obersten und dem untersten Meß punkt zur Aufnahme von Meßdaten in vertikaler Richtung be wegt. Wenn die Messung vom obersten zum untersten Meßpunkt vorgenommen wird, beginnt die Profilregistrierung vorzugs weise an der Decke. Die Sonde weist vorzugsweise drei Wandler systeme auf, nämlich ein System für Horizontalabtastung und zwei Systeme, die im Winkel von 90° gegeneinander versetzt sind, zur Ausmessung in 45° Winkelrichtung zur Horizontal richtung. Die Meßwerte der drei Wandler werden unabhängig voneinander auf eine Auswerteapparatur übertragen. In der Startteufe der Messung, z. B. an der Decke, kann im wesent lichen nur das 45° nach oben gerichtete Wandlersystem Meß daten der Decke aufnehmen. Bei Abwärtsfahren der Sonde werden die Meßdaten des aufwärts gerichteten Wandlers wegversetzt ähnliche Meßwerte wie der Horizontalwandler bzw. der nach unten gerichtete Wandler angeben. Die erhaltenen Meßwerte der drei Wandler können daher miteinander korreliert werden und ergeben so ein verbessertes Profil der Kavernenwand. Insbesondere lassen sich auf diese Weise auch Hintersolungen erfassen, die mit einem einzigen Wandlersystem entweder gar nicht oder nur durch mehrere Meßfahrten mit unter schiedlichen Winkelstellungen erfaßt werden können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dafür gesorgt werden, daß die Ultraschall-Impulse immer senkrecht auf die Kaver nenwand auftreffen, so daß störende Nebenechos aus der vertikalen Nachbarschaft der Schallauftrittpunkte vermie den werden. Dies kann dadurch vorgenommen werden, indem nur diejenigen Signale zur Auswertung herangezogen werden, die in ausreichender Amplitude von der Kavernenwand reflek tiert werden.

Um Vertikalprofile eines konstanten Ablagewinkels von einem vorgegebenen Winkel zu erhalten, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Meßsonde während der Bewegung in vertikaler Richtung bei Abweichen von dem vorbestimmten Winkel in horizontaler Richtung nachgesteuert. Dadurch können Kabel verdrehungen, Eigenoszillationen und andere Drehstörungen vermieden werden. Das Verfahren läßt sich durch eine geeig nete Servonachsteuerung, deren Sollwert sich aus der Ab weichung von einem vorgegebenen Kompaßwert ergibt, reali sieren. Es kann zur Winkelbestimmung entweder ein Magnet kompaß oder ein Kreiselkompaß verwendet werden. Letzterer ist immer dann von Vorteil, wenn Messungen durch die Wand einer Verrohrung hindurch vorgenommen werden müssen. Zur weiteren Lagestabilisierung kann ein Kreiselstabilisator eingesetzt werden.

Die Wandler können zwar unter bestimmten Winkelrichtungen fest in der Sonde eingebaut sein, vorzugsweise werden jedoch die nicht in horizontaler Richtung gerichteten Wandler in einem Meßkopf untergebracht, der unter einem Winkel von etwa 90° um die horizontale Achse schwenkbar ist. Damit lassen sich auch Messungen der Decke bis in den Nahbereich einer Verrohrung vornehmen. Desgleichen können Messungen in Vertikal richtung gegen den Boden vorgenommen werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur reine Vertikal-Profilmessungen durchgeführt werden, sondern es lassen sich auch Sektorenmessungen vornehmen, wenn während der Meßfahrt der Drehantrieb hin- und herschwenkend betätigt wird, so daß bei ausreichender Abstimmung zwischen Fahrge schwindigkeit in vertikaler Richtung und Schwenkgeschwindig keit Meßwerte über einen bestimmten Sektorenbereich gewonnen werden können. Damit erübrigt sich ein mehrfaches Durchfahren der Kavernen.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer Sonde in Schemadarstellung. Die Sonde 1 weist einen Drehantrieb 2 auf, mit dessen Hilfe der die Wandler tragende Teil der Meßsonde in horizontaler Richtung gedreht werden kann. Die Drehung erfolgt in Ab hängigkeit von dem vorbestimmten Ablagewinkel, der sich aus der Messung der Nordrichtung mit Hilfe eines Magnetkompasses 3 oder eines entsprechenden Kreiselkompasses ergibt. Unter halb des Drehantriebs und des Kreisels ist ein Horizontal wandler 4 vorgesehen, der Ultraschall-Signale in horizontaler Richtung aussendet und empfängt. Nach unten schließt sich eine weitere Antriebseinheit zur Verschwenkung der darunter befindlichen Schrägsichtwandler an. Mit Hilfe dieses Antrie bes 5 können die um 90° zueinander versetzten Wandler 7 und 8 in einer vertikalen Ebene verschwenkt werden. Der Wandler 8 ist für auswärts gerichtete Messungen und der Wandler 7 für abwärts gerichtete Messungen vorgesehen. Bei nicht ver schwenkten Wandlern 7 und 8 stehen diese Wandler zur Hori zontalrichtung in einem Winkel von jeweils 45°. Vorzugsweise können beide Wandler gemeinsam geschwenkt werden, wodurch sich bei der Auswertung der Meßwerte der verschiedenen Wandler eine feste zeitliche oder räumliche Zuordnung der Meßwerte ergibt.

Die Wandler können mit verschiedenen Frequenzen betrieben werden, so daß sich die Meßwerte nicht gegenseitig stören, die Wandler können jedoch auch bei gleicher Frequenz im Mul tiplex-Betrieb erregt werden. Um völlig außerhalb der zu er wartenden Werte liegende Meßwerte auszuschließen, kann jeder ermittelte Meßwert vor der Verarbeitung auf seine Signifi kanz, d. h. die Prüfung seines Wertes auf Lage innerhalb eines Toleranzschemas, erfolgen.

Da die Sonde selbst nur einen relativ kleinen Querschnitt aufweist, kann die Form der Wandler, die gegenüber der Son denachse um einen Winkel angeordnet sind, dem entsprechenden Schrägschnitt des Rohres entsprechen. Durch eine derartige ovale Gestaltung der Wandler kann deren Oberfläche beson ders groß gewählt werden, wodurch die Richtcharakteristik verbessert wird.

Bei Profilmessungen durch eine Verrohrung wird die Wandler frequenz vorzugsweise auf die Wanddicke eingestellt. Damit läßt sich die Dämpfung innerhalb der Rohrwand beträchtlich verringern. Vorzugsweise entspricht die Wellenlänge der Wand lerfrequenz der halben Wanddicke.

Bezugszeichenliste:

1 Meßsonde
2 Drehantrieb
3 Kompaß
4 Horizontalwandler
5 Kippantrieb
6 Kippgelenk
7 abwärts gerichteter Wandler
8 aufwärts gerichteter Wandler

Claims

1. Verfahren zur echometrischen räumlichen Ausmessung einer unterirdischen Kaverne mit Hilfe von Ultraschall, bei dem eine Meßsonde mit einem Ultraschallsende-Empfangswandler in vertikaler Richtung durch die Kaverne bewegt wird, und bei dem eine azimutale Winkelbestimmung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung eines Vertikalprofils der Kaverne die Sonde zwischen dem untersten und dem höchsten Meßpunkt kontinuierlich unter gleichzeitiger Aussendung und Empfang von Ultraschallimpulsen bewegt wird, und daß der Wandler bei Abweichen von einem vor bestimmten Azimutwinkel in horizontaler Richtung nach gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Durchfahrens der Kaverne mit Hilfe mehrerer Wandler mit festem oder einstellbarem Neigungswinkel gleichzeitig Profilmessungen in mehreren vertikalen Winkelrichtungen vorgenommen werden.

3. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach An spruch 1 mit einer Meßsonde mit wenigstens einem Ultra schallsende-Empfangswandler und einer Einrichtung zur horizontalen Drehung des Wandlers sowie einer Winkelbe stimmungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die azimutale Winkelstellung des Wandlers durch einen Kreisel- oder Magnetkompaß bestimmt wird und daß der Wandler in Ab hängigkeit von der Abweichung von einem vorbestimmten Azimutwinkel während einer vertikalen kontinuierlichen Meßfahrt der Sonde in Azimutrichtung nachgeregelt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (1) ein gegenüber der Achse drehbares Teil aufweist, von dem ein Kippteil um eine horizontale Achse (6) schwenkbar ist, und daß auf diesem Kippteil wenigstens zwei Wandler (7, 8) angeordnet sind, deren Abstrahlachsen in einer vertikalen Ebene gegeneinander versetzt sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlachsen in der Ausgangsstellung des Kippteils um einen Winkel von 45° zur Sondenachse versetzt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem drehbaren Teil ein in horizontaler Richtung ab strahlender weiterer Wandler vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlfläche der Wandler oval ist, deren Form einem angenommenen Schrägschnitt der Sonde von 45° entspricht.

8. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler im Multiplexbetrieb nacheinander erregt wer den.

9. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsfrequenz für die einzelnen Wandler unter schiedlich ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechnereinheit vorgesehen ist, die die Meßwerte der einzelnen Werte unter Berücksichtigung der vertikalen und horizontalen Winkelstellung der Wandler in eine Ver tikalprofil-Darstellung umwandelt.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswahl der Meßwerte zur Verwendung als Rechnungs werte erfolgt, indem jeder Meßwert vorab auf seine Signi fikanz geprüft wird.