DE3530574A1 - Akustische messvorrichtung zur untersuchung der permeabilitaet und klueftigkeit von gesteinen im durchteuften gebirge und zur bestimmung der geschwindigkeit von kompressionswellen, scherwellen und rohrwellen und deren daempfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Meßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Meß­ vorrichtung ist beispielsweise Gegenstand der GB-PS 7 50 976 bekannt geworden. Dieser Stand der Technik bezieht sich aber nur auf die Messung fortlaufender Wellen.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt es mit einfachen Mitteln zu gestatten, das Gesteinsprofil ge­ nauestens zu bestimmen, und zwar durch Bestimmung von Kom­ pressionsmodul, Schermodul und Gesteinsdichte. Bisher gehört es zum Stand der Technik, nur die Kompressionswellen zu un­ tersuchen. Für eine komplette Beschreibung des Gesteinspro­ fils ist das aber nicht ausreichend. Aufgabe der Erfindung ist es, durch ein einfaches Gerät und ein einfaches Verfah­ ren genauestens das Gesteinsprofil zu bestimmen, ohne daß eine nachherige Computerauswertung erforderlich wäre.

Die Lösung dieser Aufgabe nach der Erfindung besteht darin, daß der effektive Abstand zwischen Empfänger und Sender mindestens eine Wellenlänge groß und der Sender ein nieder­ frequenter Schwinger ist.

Durch die Verwendung niederfrequenter akustischer Meßsigna­ le für die Untersuchung des ein Bohrloch umgebendes Gebirge ergeben sich folgende Vorteile wegen

• - der geringeren Absorption der gesendeten Energie durch die Gebirgsformationen,
• - der besseren Vergleichbarkeit seismischer und bohrloch­ akustischer Meßresultate,
• - der Bedingung, daß optimale Rohrwellenlängen ein Vielfa­ ches des Bohrlochdurchmessers betragen müssen.

Einschränkungen der Konstruktionsfreiheiten von akustischen Bohrlochtransducern, vor allem der Sender, sind u.a. gege­ ben durch

• - den maximalen Durchmesser der Sonden von 10 cm und weniger,

aber auch durch

• - den hohen hvdrostatischen Gegendruck im flüssigkeitsgefüll­ ten Bohrloch,
• - die Umgebungstemperatur bis zu etwa 200° Celsius.

Die heute fast ausschließlich verwendeten akustischen Sende- Transducer beruhen auf der radialen Emission akustischer Energie von schwingenden Zylindern und Hohlzylindern. Haupt­ sächlich ihr Durchmesser, aber auch ihre Wandstärke, Mate­ rialwahl und Druckfestigkeit bedingen den Frequenzbereich im oberen Schall- und Ultraschallbereich.

Die vorliegende Erfindung betrifft also vor allem die Erzeu­ gung niederfrequenter, akustischer Wellen mittels einer mehr oder weniger frei an einem Kabel hängender Bohrlochsonde. Der angestrebte Frequenzbereich bleibt 0 bis 10 Kilo-Hertz, aber vorzüglich unter 5000 Hertz. Die Bohrlochsonde trägt min­ destens einen Empfänger zur Registrierung der gesendeten Druckwellen oder der durch diese ausgelösten Sekundarwellen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Sender ein Axialsender verwandt gemäß dem kennzeichnen­ den Merkmal des Anspruches 2. Derartiger Axialschwinger ist besonders zur Erzeugung niederfrequenter Schwingungen geeignet.

Besonders zweckmäßig ist dieser Axialschwinger, wenn er von einem hantelförmigen Körper gebildet wird. Es handelt sich um eine besonders einfache und robuste Konstruktion, die gerade im rauhen Betrieb unter Tage geeignet ist.

Eine einfache Konstruktion eines derartigen Senders ist im kennzeichnenden Teil des Anspruches 3 beschrieben.

Da diese Konstruktion der Sondengehäuse einen Mantel aufwei­ sen, gestattet es, daß im wählbaren Abstand von einem Sen­ der mindestens zwei Empfänger angeordnet sind. Bevorzugt wird hier dabei ein niederfrequenter Bereich unter 5000 Hertz. Es bestehen verschiedenste Möglichkeiten, z. B. daß mehrere Sender und Empfänger mit verschiedenen, geometri­ schen Vorzugsrichtungen je Empfindlichkeit in der Meßson­ de zusammengefaßt angeordnet sind. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, daß das Bohrloch nur einmal befahren wird und alle Wellentypen nämlich Kompressions-, Scher- und Rohrwel­ len gleichzeitig registriert werden, und damit ihre Ge­ schwindigkeiten und ihr Dämpfungsverhalten, um das Gesteins­ profil zu registrieren. Die Zeiten und die Dämpfung sind gleich ablesbare Ergebnisse, während die Reflektionsprofile später ausgewertet werden, wie es in einer älteren Anmel­ dung P 34 06 445.1 beschrieben ist. Die vorliegende Anmel­ dung baut auf dieser Anmeldung auf. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei ge­ hen aus der Zeichnungsbeschreibung hierfür weitere Erfin­ dungsmerkmale hervor.

Fig. 1 zeigt eine Echoabstrahlung, wie sie in der älteren Anmeldung P 34 06 445.1 beschrieben ist.

Fig. 2 zeigt die Erzeugung für Kompressionswellen.

Fig. 3 zeigt die Erzeugung von Scherwellen.

Fig. 4 ist ein Querschnitt der Anordnung nach Fig. 3, schematisch dargestellt.

Fig. 5 zeigt drei Scherwellen-Sender, kombiniert mit drei Empfänger.

Fig. 6 zeigt drei verschiedene Sender, kombiniert mit zwei Empfängerpaare.

Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung, die Umwandlung axialer Ab­ strahlung in reine radiale Abstrahlung ermöglicht.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Doppelkolben­ anordnung mit einem elastischen Gehäuse.

Fig. 9 zeigt eine andere Doppelkolbenanordnung mit einem starren Gehäuse und einer elastischen Kompressionszone.

Fig. 10 zeigt einen Rohrwellenkolben mit Erweiterungsring.

Fig. 11 zeigt schematisch den Innenteil eines Doppelkol­ bens.

Fig. 12 zeigt einen Querschnitt gemäß XII/XII der Fig. 11. Die Meßvorrichtung nach Fig. 1-7 kann von der Tiefe Null bis in jede beliebige Tiefe im Bohrloch angewendet werden, d. h. z. B. bis 7000 oder 10000 m Tiefe, was einem Druck von etwa 700 bis 1000 bar entspricht, sofern man als Spülmedium Wasser verwendet.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Gebirge ist die akustische Meßson­ de 1 über ein Kabel 3 zentrisch im Bohrloch 4 gehängt und taucht in das im Bohrloch befindliche Spülmedium.

Die akustische Meßvorrichtung ist ein zylinderförmiger Druck­ körper, der abgedichtet ist. Er besteht aus Edelstahl oder einer Messing-Legierung oder aus Aluminium oder vergleich­ baren Materialien. Der in der Meßvorrichtung 1 angebrachte Sender 5 befindet sich in mechanischem Kontakt mit dem Spülmedium 4. Kontakt erfolgt dadurch beispielsweise, daß eine Gummimembrane am Außenumfang der Meßsonde 1 angebracht ist, hinter der der Sender abgedichtet angeordnet ist. Er­ findungsgemäß ist an der Stelle des Senders 5 auch der Em­ pfänger 6. Für Echos sind die möglichen Reflektionswege mit Pfeilen angedeutet. Dabei wirkt die Bohrlochwandung 15 als refraktierende Wand. Dabei weisen die Pfeilspitzen, die vom Sender weggehen, als die ausgestrahlten Wellen, und die mit den Pfeilen den Sender wieder zurückführenden Wellen als Echowellen, die vom Empfänger 6 registriert werden.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie Kompressions- und Rohrwellen erzeugt werden. Dabei ist ein Sender 51 ge­ zeichnet, der verschieden ausgebildet, einmal für Kompres­ sions- und einmal für Rohrwellenabstrahlung ausgebildet sein kann. Der Sender hat eine Kolbenrückwand bzw. einen Festpunkt 45, und von diesem Sender werden im Ausführungs­ beispiel Radialwellen 38 in Pfeilrichtung abgestrahlt. Der Verlauf der Kompressionswelle ist entlang der Bohrlochwan­ dung 15 mit Rückstrahlung der Energie in Pfeilrichtung 52 zu den Empfängern 20, 21. Die gestrichelt dargestellten Pfeile 53 zeigen den Verlauf der Rohrwelle, wenn ein ent­ sprechend ausgebildeter Sender 51 hierfür verwandt wird. Während die Empfänger 20, 21 für Kompressions- und Rohrwel­ len-Empfang geeignet sind, ist der Empfänger 19 für den Empfang von Echo-Wellen gemäß Fig. 1 geeignet. Er ent­ spricht dann dem Empfänger 6. Um die Messung zu erläutern, wird der zeitliche Abstand des ersten Einsatzes der Welle bei Empfänger 21 und der erste Einsatz der Welle bei Em­ pfänger 20 gemessen. Der Abstand 7 ist der effektive Ab­ stand zwischen Sender und Empfänger.

In Fig. 3 ist die Erzeugung von Scherwellen dargestellt. Das zeigen die gleichen Zahlen und gleichen Teile. Hier ist eine radiale Abstrahlung von Radialwellen 38 vorgesehen. Der Sender 31, der für die Abstrahlung von Scherwellen ge­ eignet ist, ist im Ausführungsbeispiel einseitig radial ge­ richtet, löst damit, schematisch dargestellt, eine Deforma­ tion 55 der Bohrlochwandung 15 aus. Die reflektierten Wel­ len 56 werden von scherwellenempfindlichen Empfängern 22, 23 registriert.

In der Fig. 4 ist dargestellt, daß der Querschnitt 39 die­ ses Scherwellensenders einen Abstrahlungsschlitz 40 aufweist, aus dem dann die Radialwellen 38 die Bohrwandung 15 treffen.

In Fig. 5 sind drei Scherwellensender mit drei Empfängern dargestellt. Dabei sind die Scherwellensender 48, 49, 50 so angeordnet, daß der mittlere Sender 49 in entgegengesetzter Richtung Radialwellen 38 abstrahlt, als die Sender 48 und 50. Damit wird eine Verstärkung der Deformation 53, wie in Fig. 3 dargestellt, erreicht, während in Fig. 5 die Em­ pfänger 22, 23 nur gegenüber Scherwellen empfindlich sind, sind in der Fig. 6 die Empfänger 21, 20 auf Kompressions­ wellen empfindlich ausgebildet. Im übrigen bezeichnen in Fig. 6 die gleichen Zahlen die gleichen Teile. Der Sender 31 ist für Scherwellen ausgelegt, der Sender 32 für Kom­ pressionswellen, während der Sender 34 für Rohrwellen aus­ gelegt ist.

In der Fig. 7 ist eine Anordnung gezeigt, die es gestattet, Axialwellen in Radialwellen umzuwandeln. Ein Kolben 11, der gegenüber seinem Festpunkt 45, der z. B, in Pfeilrichtung 57 bewegt wird, löst eine Schwingung im Kon­ zentrator 35 aus, der gegen das Gehäuse mit einer Dichtung 58 abgedichtet ist. Dabei werden die Konen 37 gegeneinan­ der bewegt, d. h. der obere Kone 37 ist fest. Die Flüssig­ keit wird dann über die Flächen 36 durch Perforation 18 im Mantel 10 in Pfeilrichtung 38 abgestrahlt.

Fig. 8 zeigt eine Doppelkolbenanordnung. Dabei ist im Ge­ gensatz zum starren Mantel 10 ein elastischer Mantel 9 vor­ handen. Die beiden Kolben 11 und 12, die in der Flüssigkeit Schwingungen erzeugen, werden gegeneinander bewegt. Dieser Sender 25 wird als Radialsender eingesetzt. Der Sender 25 wird als Axialschwinger 8 bezeichnet. Durch diesen elasti­ schen Mantel wird erreicht , eine Ausdehnung und Abstoßung der Flüssigkeit in radialer Richtung.

Im Gegensatz hierzu erzeugt der Sender 30, der ebenfalls als Axialschwinger 8 ausgebildet ist, durch die starre Wan­ dung 10, beim Bewegen der Kolben 11 und 12, axiale Schwin­ gungen, die parallel zur Mittellinie verlaufen, während sie bei der Fig. 8 senkrecht zur Mittellinie verlaufen.

In Fig. 9 ist noch eine weitere Möglichkeit gezeigt, näm­ lich, daß eine elastische Haut 17 den Raum vor dem Kolben 12 abschließt. In diesem Raum 59 wird durch die elastische Haut 17 erreicht, daß beim Vorhandensein von Perforationen 18 die Richtung der Schwingungen bzw. Wellen, die parallel zur Mittellinie 60 der Kolben 12, 11 verlaufen, dann in Pfeil­ richtung 61 abgestrahlt werden. Es ist hier gewissermaßen auch dadurch eine Umwandlung von axial erzeugten Wellen in radial abgestrahlte Wellen möglich.

Fig. 10 zeigt einen Rohrwellenkolben mit Erweiterungsring. Das ist eine Möglichkeit, die bei sehr großen Bohrlöchern angewandt wird. Im starren Mantel 10 ist der Erweiterungs­ ring 13 vorhanden, welcher den Durchmesser des Kolbens 11 erweitert. Es sind dabei Abstandsstücke 14 vorhanden, die eine leichte Montage gewährleisten.

Fig. 11 zeigt eine mögliche Ausbildung eines Doppelkolbens. Dabei sind die Kolben 11, 12 vorhanden, die ihren Festpunkt 45 bzw. ihre Kolbenrückwand dort haben. Die Antriebsgenera­ toren für die Kolbenbewegung, z. B. Piezo-Platten 62 bewegen die Kolben in der einen oder anderen Richtung. Im Ausfüh­ rungsbeispiel findet z. B. die Kompressionsphase statt, wie die gegeneinander gerichteten Pfeile 63, 64 andeuten.

In Fig. 12 ist schematisch ein derartiger Antrieb darge­ stellt. Eine Piezo-Platte 62 ist zentrisch gehalten durch einen Isolationszylinder 65. Ferner ist eine Aussparung 66 für den Vorspannbolzen zur Montage der Kolben 11, 12 gegen Festpunkt 45. Es sind ferner Nuten 67, 68, 69 dargestellt, welche die elektrischen Zuleitungen 70, 71, 72 zu den Piezo-Platten darstellen. Die Funktionsweise ist übrigens in der älteren Anmeldung P 34 06 445.1 beschrieben.

Claims (21)

1. Akustische Meßvorrichtung z. B. zur Untersuchung der Permeabilität und Klüftigkeit von Gesteinen im durch­ teuften Gebirge, insbesondere im Bereich eines Bohrlo­ ches, eines Tunnels, Stollens oder dergl. bestehend aus einer Meßsonde, die über ein Kabel in das mit einem Spül­ medium gefüllte Bohrloch eingetaucht ist und in axialer Richtung dort verschiebbar ist, wobei die Meßsonde ei­ nen Impulse aussendenden Sender enthält, dessen an der Bohrlochwandung und im umliegenden Gestein erzeugten Signale von mindestens einem in der Meßsonde gleichfalls angeordneten Empfängern erfaßt und als elektrische Sig­ nale über das Kabel zu einem an der Oberfläche angeord­ neten Meßwagen geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Abstand (7) zwischen Empfänger (6, 27, 20, 21, 22, 23, 24) mindestens eine Wellenlänge groß ist und der Sender (5, 28, 30, 31, 32, 33, 34) ein niederfrequenter Schwinger ist.

2. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (5, 28, 30, 31, 32, 33, 34) ein Axialschwinger ist, dessen Stirnseiten von je­ weils einem scheibenförmigen Druckstempel (42, 43) gebildet sind, das die Druckstempel (42, 43) in axialer Richtung gegen­ einander verspannt, und einen aus zwei gegensätzlich polari­ sierten Piezo-Platten bestehenden Senden (46) einschließen.

3. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (1) aus einem hantelförmigen Körper (Stahlhantel 26) besteht, dessen Mittenabschnitt aus scheibenförmigen, übereinandergelegten und axial gegen die Endabschnitte des Körpers vorgespannten Plattenabschnitten besteht, wobei ein aus mehreren gegen­ sätzlich polarisierten Platten bestehender Sender (28) je­ weils an seinen Stirnseiten durch aus gleichfalls gegenseitig polarisierten Plattenpaaren bestehender Empfänger (27, 29) abgeschlossen ist.

4. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der akustischen Meßvor­ richtung (1) in wählbarem Abstand (7) von einem Sender (20, 21, 22, 23, 19) mindestens zwei Empfänger (22, 23) z. B. angeordnet sind.

5. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der niederfrequente Bereich unter 5000 Hertz liegt.

6. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sender (5, 28, 30, 31, 32, 33, 34) und Empfänger (6, 20, 21, 22, 23, 24, 27, 29, 19) mit ver­ schiedenen geometrischen Vorzugsrichtungen in ihrer Empfind­ lichkeit in der Meßvorrichtung (1) zusammengefaßt angeordnet sind.

7. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Empfänger (6, 20, 21, 22, 23, 24, 27, 19) zentral innerhalb des Senders (5, 28, 30, 31, 32, 33, 34) (Abstand gleich Null) oder symmetrisch aus­ serhalb des Senders aber innerhalb der Wellenlänge montiert sind.

8. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Schwingungs- o­ der Druckpuls-Erreger des Senders (5, 28, 30, 31, 32, 33, 34) vor­ nehmlich axiale und/oder auch radial-allseitige oder axial- strahlenförmige Schwingungen in der Bohrlochflüssigkeit (4) auslöst.

9. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender (5, 28, 30, 31, 32, 33, 34) als Druckpuls-Erzeuger ausgebildet z. B. elektro-me­ chanische Wandler, hydraulisch/mechanische Druckkolben, Ex- und Implosionen sind.

10. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (9) des Doppel­ kolbens (11, 12) aus elastischem Material besteht.

11. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Sondengehäuse bil­ dende Mantel (9, 10) starre und/oder elastische eingespannte Abschnitte besitzt.

12. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (11, 12) über den Außendurchmesser des die akustische Meßvorrichtung bildenden Sondengehäuses vergrößert sind.

13. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11/12) einen Er­ weiterungsring (13) besitzt, der durch Abstandstücke (14) zentriert fest mit dem Kolben (11, 12) verschraubt ist.

14. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11, 12) ein Konzentrationshorn (35) strömungsführende Flächen (36) und Konen (37) zur Abstrahlung der Radialwellen (38) besitzt.

15. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Flüssigkeit gefüll­ te Raum (39) vor dem Kolben (12) mit einer elastischen Haut (17) abgedeckt ist.

16. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sondengehäuse bzw. der Mantel für eine radiale Abstrahlung (38) mit Perfora­ tion (18), Schlitzen (39), Gittern usw. versehen ist.

17. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei allseitig bzw. einsei­ tig abstrahlende Radialsender (31) senkrecht übereinander angeordnet sind.

18. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Radialsender (49) mit zeitlicher Verzögerung gegenüber den äußeren Sen­ dern (48, 50) arbeitet.

19. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (39) des Sondengehäuses bzw. Mantels C-Form besitzt, mit einem Ab­ strahlungsschlitz (40).

20. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß drei ein­ seitig gerichtete Sender (48, 49, 50) so gerichtet sind, daß der mittlere Sender (49) den beiden äußeren (48, 50) entge­ gengesetzt abstrahlt.

21. Akustische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Phasen- Verschiebungs-Meßmethode zur Bestimmung der Zeitdifferenz entsprechend dem Weg (45) zwischen Einsatzzeit der fortlau­ fenden Welle und zwei Empfängern angewandt wird.