DE4012528A1 - Rueckprall verhindernde vorrichtung fuer eine auf ein targetelement schlagende masse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine den Rückprall verhindernde Vorrichtung, im folgenden "Antirückprallvorrichtung" genannt, für eine Masse, die gegen ein Targetelement schlägt und seismische Impulse erzeugt.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist besonders brauchbar bei der Realisierung seismischer mit Stößen arbeitenden Quellen, die im Erdboden seismische Wellen durch Perkussion einer in Bewegung befindlichen Masse gegen ein Targetelement (Auftreffelement) erzeugen, gegen das sie durch Wirkung der Schwerkraft und/oder Antriebsmitteln geschleudert wird.

Eine Perkussionsquelle zur seismischen Prospektion zu Lande und mit einer Masse, die längs eines Führungselementes gegen ein Targetelement fällt, das gegen die Erdbodenoberfläche verankert ist, ist beschrieben in der französischen Patentschrift 23 98 316. Eine andere, die insbesondere für eine Verwendung in einem Bohrloch ausgebildet ist, ist beschrieben in der französischen Patentschrift 25 52 553. Die Verwendung von Antriebseinrichtungen zum Schleudern einer Masse gegen ein in einem Bohrloch verankertes Targetelement ist beschrieben in der französischen Patentschrift 25 58 601.

Läßt man die Masse frei, so prallt sie im allgemeinen nach ihrem Aufschlag gegen das zugeordnete Targetelement zurück und kommt dann zurück und schlägt ein- oder mehrmals mit abnehmenden Kräften auf. Die "Signatur" der seismischen Quelle, d.h. die Form der Impulse die sie aussendet, umfaßt also in diesem Falle mehrere Sekundärimpulse mit abnehmender Amplitude anschließend an den Hauptimpuls; dies hat zur Folge, daß die seismischen Aufzeichnungen entsprechend seismischen Reflektionen an den Diskontinuitäten des Untergrund der ausgesandten Störung gestört werden.

Aus der französischen Patentschrift 25 09 052 ist eine Vorrichtung bekannt, um Mehrfachstöße einer Masse gegen ein mit der Erdoberfläche gekoppeltes Targetelement zu verhindern, die in ihrem Fall durch Führungseinrichtungen geführt ist, wobei diese Mehrfachstöße auf Rückprallvorgänge der Masse nach ihrem ersten Stoß zurückzuführen sind. Diese Vorrichtung umfaßt im wesentlichen ein verformbares, an den Führungseinrichtungen befestigtes Element sowie Steuermittel, die so ausgebildet sind, daß sie das verformbare Element gegen die Seitenwandung der Masse nach seinem ersten Rückprall aufbringen und es unbeweglich machen, bevor es von neuem herunterfällt. Die Steuereinrichtungen umfassen beispielsweise ein bewegliches Element, welches radial durch Wirkung eines hydraulischen Zylinders und eines Stoßdetektors beweglich ist, der ein Steuersignal durch den Stellzylinder liefert.

Diese Vorrichtung blockiert sehr wirksam jede zurückfallende Masse; aufgrund seiner Transversalposition jedoch senkrecht zur Längsachse der Führungseinrichtungen ist ihr Platzbedarf mit den im allgemeinen verminderten Abmessungen der Bohrlöcher nicht kompatibel, wo die seismischen Bohrlochquellen herabgelassen werden.

Durch die französische Patentanmeldung 88 06 425 ist eine Antirückprallvorrichtung bekanntgeworden, die gut für Fälle angepaßt ist, wo der seitliche Raum um die Richtung des Falls herum vermindert ist. Diese zeichnet sich aus durch die Verwendung von elektromagnetischen Einrichtungen, die auf die Masse eine intermittierende Anziehungskraft ausüben. Dies führt dazu, daß die Masse gegen ein Targetelement gepreßt wird, gegen das sie am Ende des Falles stößt. Eine solche Vorrichtung ist für sämtliche Anwendungsfälle zweckmäßig, wo es möglich ist, elektromagnetische Einrichtungen zu verwenden und sie über Speisekabel mit einer elektrischen Quelle zu verbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die die Vermeidung von Mehrfachstößen einer Masse gestattet, die gegen ein Targetelement schlägt, ohne daß magnetische oder elektromagnetische Kräfte zum Unbeweglichmachen der Masse nach ihrem Aufschlag ins Spiel gebracht werden müssten. Zur Realisierung sollen sehr kurze seismische Impulse erhalten werden, die insbesondere für die seismische Prospektion günstig sind.

Die Vorrichtung zeichnet sich aus durch eine Gegenmasse, die hinter der Masse bezogen auf die Bewegungsrichtung gegen das Targetelement angeordnet ist, wobei die Gegenmasse bezüglich der Masse bewegbar ist und Verbindungseinrichtungen vorgesehen sind, um die Masse und die Gegenmasse unter Abstand voneinander während ihrer Bewegung im gleichen Sinn in Richtung auf das Targetelement zu halten sowie Bremseinrichtungen, die in Funktion der jeweiligen Charakteristiken der Masse und der Gegenmasse gewählt sind, um diese bezogen auf die Masse derart zu verzögern, daß ihre Bewegungen im wesentlichen gegenphasig sind und einander entgegenwirken.

Die Verbindungseinrichtungen und die Bremseinrichtungen umfassen beispielsweise eine Schicht aue einem dämpfenden Material, dessen Steifigkeit gewählt ist, um im wesentlichen die Rückführbewegung der Masse nach ihrem Aufschlag gegen das Targetelement zu annullieren.

Die Verbindungseinrichtungen können ein in einer Kammer enthaltenes Fluidvolumen umfassen, das in einer Kammer zwischen der Masse und der Gegenmasse enthalten ist sowie die Bremseinrichtungen umfassen, wobei ein oder mehrere Durchlässe kalibrierten Querschnittes das Entweichen des Fluids aus der Kammer unter der Wirkung der Trägheitskraft der Gegenmasse ermöglichen.

Die Verbindungseinrichtungen und die Bremseinrichtungen können so wenigstens ein flexibles Bauteil umfassen, das an der Masse oder der Gegenmasse befestigt ist und das andere durch Reibung hält. Dieses flexible Bauteil ist beispielsweise eine verformbare Muffe oder eine Blattfederanordnung, wobei diese gegen die Seitenwand der Masse abgestützt sind.

Die Erfahrung läßt die Verifizierung zu, daß durch eine geeignete Wahl der Dämpfungsschicht zwischen Masse und Gegenmasse der verformbaren Muffe oder auch des Querschnitts der Austrittsöffnungen des Bremsfluids man praktisch jeden Rückprall der Masse unterdrücken kann und dies wohl wiederholt. Realisation und Verwirklichung einer seismischen Bohrlochschlagquelle wird mit einer so aufgebauten Masse erleichtert.

Nach einer möglichen Ausführungsform ist das Targetelement fest mit einem länglichen Körper verbunden, der einfahrbaren Verankerungseinrichtungen zugeordnet ist, um den länglichen Körper mit den Wandungen eines Schachts oder Bohrlochs zu koppeln, wobei die Masse mit einer Greifeinrichtung (prise) für einfahrbare Rückhalteeinrichtungen versehen ist; sie selbst ist im Körper zwischen einer unteren Schlagstellung gegen das Tarqetelement und einer oberen hiervon entfernt angeordneten Stellung beweglich.

Man kann einfahrbare Rückhalteeinrichtungen zum Bewegen der Masse bezüglich des Körpers verwenden; ihr Bewegungs- oder Verschiebungsweg ist ausreichend, um die Masse zwischen einer unteren Stellung und ihrer oberen Stellung zu überführen und hierzu die Rückhalteeinrichtung mit einem Hubgerät zu verbinden.

Der Anfangsabstand zwischen der Masse und der Gegenmasse wird einfach wiederhergestellt, sei es, daß das Dämpfungsmaterial sein Normalvolumen nach jedem Stoß wieder einnimmt, sei es durch Zug gegen die Gegenmasse vermittels einfahrbarer Rückhalteeinrichtungen. Die Zugkräfte sind ausreichend, um die Reibkräfte der flexiblen Bauteile zu überwinden oder auch um das Anfangsfluidvolumen in der Kammer zwischen Masse und Gegenmasse wiederherzustellen.

Andere Charakteristiken und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, in der auf die Zeichnungen bezug genommen wird. Diese zeigen in

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung, wo die Verbindungs- und Bremseinrichtungen eine Schicht eines Dämpfunqsmaterials umfassen;

Fig. 2 zeigt eine Masse, die mit Verbindungseinrichtungen und Bremseinrichtungen mit seitlichen Federn versehen ist, die gegen einen Teil der Masse reiben;

Fig. 3 zeigt eine Masse, die mit Verbindungseinrichtungen und hydraulischen Bremseinrichtungen versehen ist; und

Fig. 4 ist ein erster Beispiel der Zuordnung der Masse oder der Rückprallvorrichtung zu einer Anordnung, die es ermöglicht, Impulsbeanspruchungen an die Wandungen eines Bohrloche aufzubringen.

Die Antirückprallvorrichtung nach der Erfindung ist einer Masse 1 zugeordnet, die so ausgebildet ist, daß sie gegen eine Impakt- oder Schlagwand 2 geschleudert werden kann.

Es kann sich beispielsweise um eine Masse handeln, die durch die Schwerkraft beschleunigt ist und/oder um beliebige Antriebsmittel. Sie umfaßt eine Gegenmasse 3, Verbindungseinrichtungen für die Masse und die Gegenmasse sowie Bremseinrichtungen hierfür. Nach der Ausführungsform der Fig. 3 sind die Verbindungsmittel und die Bremsmittel gebildet durch eine Schicht 4, die aus einem Dämpfungsmaterial hergestellt ist und zwischen die Masse 1 und die Gegenmasse 3 zwischengeschaltet ist und gegen diese verklebt ist. Die Schicht 4 hält die Masse und die Gegenmasse unter einem bestimmten Abstand voneinander. Wenn die Masse in ihrer Bewegung durch die Schlagwand 2 gestoppt wird und nach hinten zurückprallt, setzt die Gegenmasse 3 ihre Bewegung nach vorne, gebremst durch die Dämpfungsschicht 4, fort. Die Masse und die Gegenmasse befinden sich also in entgegengesetzter Phase; ihre Bewegungen wirken gegeneinander. Man wählt das Verhältnis der beiden Massen, die Dicke der Schicht und die Art des Dämpfungsmaterials derart, daß die kinetische Rücklaufenergie der einen im wesentlichen gleich der kinetischen von der anderen beibehaltenen Energie ist. Man kommt in Praxis dazu, die Rückprallvorgänge der Masse 2 zu unterdrücken.

Nach der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die Verbindungseinrichtungen und die Bremseinrichtungen gebildet durch eine verformbare Hülse 5, die beispielsweise an der Gegenmasse 3 befestigt ist und auf das Ende der Masse gesteckt ist. Die Reibungskräfte, die die Hülse auf die seitliche Wandung der Masse 1 ausübt, sind ausreichend, um sie unter Abstand zur Masse zu halten. Die Trägheitskraft der Gegenmasse 3 ist jedoch ausreichend, um die Reibungskräfte zu überwinden und, wie vorher, setzt die Gegenmasse ihre Bewegung nach vorne fort, während die Masse von neuem nach hinten nach dem Stoß gegen die Stoßwand 2 wieder startet. Auch hier ist der Rückprall der Masse praktisch zu Null gemacht. Die verformbare Hülse oder Muffe 5 kann auch ersetzt werden durch eine oder mehrere flexible Blätter oder Blattfedern, die beispielsweise an der Gegenmasse 3 befestigt sind und seitlich gegen die Masse 2 quetschen.

Nach der Ausführungsform der Fig. 3 sind die Verbindungseinrichtungen durch ein Fluidvolumen, beispielsweise Öl, gebildet, das in einer Kammer enthalten ist, die zwischen der Masse und der Gegenmasse ausgespart ist. Hierzu ist ein zylindrischer durch einen Deckel 7 geschlossener Hohlraum 6 in der Masse 1 auf der Seite gegenüber der Schlagwand 2 ausgespart. Die Gegenmasse 3 ist mit einer Stange 8 versehen, die in den Hohlraum über eine Öffnung quer durch den Deckel 7 eindringt und durch einen Kolben 9 eines Querschnitts verlängert, der an den Querschnitt des Hohlraums 6 angepaßt ist, der an seinem Umfang mit Dichtungsverbindungen 10 versehen ist. Ein oder mehrere Kanäle 11 kalibrierten Querschnitts gehen hierdurch und setzen miteinander die Teile der Kammer zu beiden Seiten des Kolbens 9 in Verbindung. Die Bremskraft wird auf die Gegenmasse 3 durch Laminage der Flüssigkeit quer durch die Öffnungen oder Kanäle 11 ausgeübt. Wenn die Masse 1 auf die Wandung 2 schlägt, wird ihre Rückprallkraft auch durch die verbleibende Trägheitskraft der Gegenmasse 3 aufgehoben.

Die Wiederherstellung des Anfangsabstandes zwischen der Masse und der Gegenmasse wird mit den Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 erhalten, indem man auf die Gegenmasse 3 einen Zug ausübt. Hierzu kann die Gegenmasse mit einem Aufhängekopf T für eine Zugvorrichtung wie in Fig. 4 dargestellt, versehen sein.

Nach der Anwendungsform der Fig. 4 ist die mit einer Antirückprallvorrichtung nach einer der Ausführungsformen der vorgenannten Art ausgestattete Masse 1 so ausgelegt, daß sie gegen ein Targetelement 11 schlägt, das mit der Wandung eines Bohrlochs oder Schachte 12 gekoppelt ist.

Die Masse 1 bewegt oder verschiebt sich in gerader Linie im Inneren eines länglichen Körpers 13, der in das Bohrloch 12 am Ende eines Elektroträgerkabels 14 herabgelassen ist, welches die elektrischen Speiseleitungen umfaßt. Gegen ihr dem Kabel 14 abgelegenes Ende ist der Körper 13 Verankerungskufen 15 zugeordnet. Diese Kufen oder Schuhe sind am Ende der Stangen 16 nicht dargestellter Stellzylinder befestigt, die radial in einer Kammer 17 angeordnet sind, welche ein hydraulisches Betätigungssystem enthält. Ein hydraulisches System ist beschrieben in der vorgenannten französischen Patentschrift 25 58 601.

Die mit ihrer Antirückprallvorrichtung ausgestattete Masse 1 wird aus einer Schlagstellung in Kontakt mit dem Targetelement 11 in eine Scharfmacherstellung durch Hubeinrichtungen bewegt. Diese Einrichtungen umfassen eine steife Stange 18, die mit dem Kabel 14 über einen elektrischen oder mechanischen Verbinder 19 verbunden ist. Die Stange 18 durchsetzt die obere Endwand 20 des Körpers in einer Öffnung und im Inneren, im Hohlraum 21, wo die Masse sich bewegt, stützt sie einfahrbare Aufhängeeinrichtungen ab. Diese Einrichtungen umfassen einen steifen Träger 22. Zwei Haken 23 können auf am Träger 22 befestigten Achsen 24 zwischen einer Annäherungsstellung und einer Entfernungsstellung verschwenken (gestrichelt in Fig. 4 dargestellt). Auf der Oberseite umfaßt die Gegenmasse 3 einen Kopf 25, der mit einer Kreisnut 26 versehen ist, wo die Spitzen der Haken 23 in Annäherungsstellung eingreifen können. So machen sie die Gegenmasse 3 fest bezüglich dem Aufhängeträger 22. Das Verschwenken der Haken 23 gegen ihre Spreizstellung wird beispielsweise durch Erregen der Elektromagneten 27 mit beweglichen Kernen 28 erhalten. Diese Kerne sind radial in der Schwenkebene der Haken 23 angeordnet und mit diesen letzteren verbunden. Eine Rückstellfeder 29 versucht, die Haken 23 in ihrer Annäherungsstellung zu halten.

Das Erregen der Elektromagneten wird sichergestellt vermittels von Leitern 30, die in der Achse der steifen Stange 18 verlaufen und im Verbinder 19 mit leitenden Leitungen 31 des Elektro-Trägerkabels 14 verbunden sind.

Andere nicht dargestellte elektrische Leiter ermöglichen es, auf das hydraulische System elektrische Ströme und Steuersignale an das hydraulische nicht dargestellte Betätigungssystem für die Stellzylinder 16 zu übertragen.

An dem dem Elektro-Trägerkabel 14 gegenüberliegenden Ende sind die Leiter 30 mit der Quelle für elektrischen Strom 31 vermittels eines Umschalters 32 verbunden. Ihre Verbindung ist derart, daß in einer ersten Stellung des Umschalters (commutateur) 32 die Elektromagnete 17 die Haken 23 voneinander entfernen. In der zweiten Stellung des Umschalters 32 drücken die gleichen Elektromagnete die Haken gegen ihre Annäherungsstellung.

Da die seismische Quelle im Bohrloch durch Spreizen der Verankerungskufen 15 verankert ist, ist der Umschalter 32 in der zweiten Stellung angeordnet und das Kabel 14 wird derart losgelassen, daß der steife Träger 22 längs des Hohlraums 21 gegen die Gegenmasse 3 nach unten geht, die sich in ihrer Stellung (oder unteren Stellung) gegen das Targetelement 11 befindet. In Kontakt mit dem Kopf 25 gehen die Haken 23 auseinander und greifen in die Nut 26 hiervon.

Durch einen Zug am Elektro-Trägerkabel 14 hebt man den Träger 22 und die aus Masse und hieran hängende Gegenmasse bestehende Anordnung bis in eine obere Stellung. In dem für die Auslösung gewählten Augenblick bringt man den Umschalter 32 in seine erste Stellung.

Die Elektromagneten 27 spreizen die Haken 23, welche die Masse halten. Nach der Freigabe fällt diese längs des Hohlraums 18 und trifft mit Kraft auf das Targetelement.

Die Antirückprallvorrichtung nach einer der in den Fig. bis 3 gezeigten Ausführungsformen unterdrückt alle Sekundärschläge oder Aufschläge. Die erhaltene Impakt- oder Aufschlagskraft wird auf die das Bohrloch umgebenden Formationen vermittels der Verankerungskufen oder Schuhe 15 übertragen.

Man kann auch die in der französischen Patentschrift 25 90 994 beschriebenen Hubeinrichtungen verwenden, wo das Aushaken der aus Masse und Gegenmasse bestehenden Anordnung am Ende des Rückzugsweges durch Inkontaktbringen von Haken wie den Haken 23 gegen mit dem Körper der seismischen Quelle feste Stützwandungen sichergestellt wird, wobei die von der Oberfläche auf das die seismische Quelle tragende Kabel ausgeübte Hubkraft ausreichend ist, damit die Haken sich gegeneinander spreizen und die Masse 1 freigeben.

Claims (9)

1. Den Rückprall verhindernde Vorrichtung für eine Masse (1), die auf ein Targetelement (2) schlägt, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine bezogen auf die Bewegungsrichtung gegen das Target hinter der Masse angeordnete Gegenmasse (3) umfaßt, wobei die Gegenmasse bezüglich der Masse verschiebbar bzw. bewegbar ist; Verbindungseinrichtungen, um die Masse und die Gegenmasse unter Abstand zueinander während ihrer Bewegung in Richtung auf das Targetelement zu, zu halten sowie Bremseinrichtungen, die als Funktion der jeweiligen Charakteristiken der Masse und der Gegenmasse gewählt sind, um diese bezogen auf die erste zu verzögern, derart, daß ihre Bewegungen im wesentlichen gegenphasig verlaufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen und die Bremseinrichtungen eine Schicht aus einem dämpfenden Material (4) umfassen, dessen Steifigkeit festgelegt ist, um im wesentlichen die Rückführbewegung der Masse (1) nach ihrem Aufschlag gegen das Targetelement (2) zu annullieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen ein Fluidvolumen (L) umfassen, das in einer Kammer (6) enthalten ist, die zwischen der Masse und der Gegenmasse sowie den Bremseinrichtungen ausgespart ist, wobei ein oder mehrere Durchgänge (11) kalibrierten Querschnitts das Entweichen eines Fluids aus der Kammer (6) unter der Wirkung der Trägheitskraft dieser Masse ermöglichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen und die Bremseinrichtungen wenigstens ein flexibles Bauteil (5) umfassen, das an der Masse oder der Gegenmasse befestigt ist und das andere durch Reibung hält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Bauteil (5) Blattfedern umfaßt, die sich gegen die seitliche Wandung des ersten Teils der Masse abstützen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Bauteile (5) eine verformbare Hülse bzw. eine verformbare Muffe ist, die seitlich gegen die Masse reibt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetelement (11) fest mit einem länglichen Körper (13) verbunden ist, welcher einfahrbaren Verankerungseinrichtungen (15, 16) zugeordnet ist, um den länglichen Körper (13) mit den Wandungen eines Bohrlochs oder eines Bohrschachts (12) zu koppeln und daß die Masse im Körper zwischen einer unteren Aufschlagstellung gegen das Targetelement und einer oberen hiervon unter Abstand befindlichen Stellung bewegbar bzw. verschiebbar ist, wobei die Masse mit einer Greifausbildung (25) für einfahrbare Halteeinrichtungen (23) versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einfahrbaren Halteeinrichtungen bezüglich des Körpers beweglich bzw. verschiebbar sind, wobei deren Bewegungsweg ausreicht, um die Masse zwischen ihrer unteren Stellung und der oberen Stellung zu bewegen bzw. zu verschieben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen mit einer Hubvorrichtung (14) verbunden sind.