DE69219757T2

DE69219757T2 - Schwingungserregung in einem bohrloch durch fallenlassen einer masse

Info

Publication number: DE69219757T2
Application number: DE69219757T
Authority: DE
Inventors: Kimio Ogura
Original assignee: Oyo Corp
Current assignee: Oyo Corp
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1992-11-02
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2012-11-03
Also published as: EP0566742B1; US5416281A; US5534668A; WO1993009448A1; DE69219757D1; EP0566742A1; EP0566742A4

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenquelle, die in einem Bohrloch vorgesehen ist, und insbesondere eine Wellenquelle hoher Leistung in einem Bohrloch zur Erzeugung elastischer Wellen in der Wand einer Bohrlochwand, indem ein Fallgewicht auf eine Schichtstruktur aus einer Vielzahl von abwechselnd gestapelten federnden Elementen und Plattenelementen fällt, so daß die federnden Elemente verformt werden. Diese Wellenquelle wird wirksam bei einem Geschwindigkeitsaufzeichnungssystem angewendet, das in einem wasserhaltigen Bohrloch verwendet ist, und bei der Tomographie für die dreidimensionale Analyse der Welleneigenschaften im breiten Bereich des Bodens.

Hintergrund der Erfindung

Die Welleneigenschaften der Bodenformation stellen wichtige Basisdaten für die erdbebensichere Konstruktion verschiedener Gebäude und verschiedener im Bauingenieurwesen ausgebildeter Konstruktionen dar. Um die elastischen Eigenschaften des Untergrunds zu untersuchen, wird ein PS-Geschwindigkeitsaufzeichnungssystem (P-Wellen und S-Wellen) zum direkten Messen der Ausbreitung elastischer Wellen (P-Welle und S-Welle) in einem im Boden eingebrachten Bohrloch verwendet. Die Geschwindigkeitsaufzeichnung ist die Technik zum Bestimmen, auf Basis einer Wellenformaufzeichnung, der Ankunftszeit der von einer Wellenquelle zu einem Wellenempfänger ausgesendeten elastischen Wellen.
Es wurden bisher verschiedene Arten von Bohrlochwellenquellen entwickelt. Typische Beispiele für Bohrlochwellenquellen sind in den japanischen Patentveröffentlichungsschriften Nr. 58-52191/1983, 61-43669/1986, 62-14791/1987 und 62-14792/1987 sowie US-Patent Nr. 4383591 offenbart. Alle diese Geräte beruhen im Grunde auf einer mit einem beweglichen Element (Hammer) versehenen Struktur, das in einer Richtung senkrecht zur Achse eines Bohrloches frei bewegt werden kann, und einem Mechanismus zum Antreiben des beweglichen Elements. Eine solche Wellenquelle wird in ein wasserhaltiges Bohrloch eingesetzt und eine Vibrationskraft wird auf eine Wandfläche des Bohrloches ausgeübt, die in einer Richtung senkrecht zur Achse des Bohrloches liegt, indem das bewegliche Element kurzzeitig angetrieben wird. Der verwendete Antriebsmechanismus besteht üblicherweise aus einem elektromagnetischen Solenoid.
Jedoch wird die herkömmliche Bohrlochwellenquelle vom Typ eines elektromagnetischen Hammers durch ein elektromagnetisches Solenoid angetrieben und der Durchmesser des Bohrloches ist im allgemeinen vergleichsweise klein. Da der Außendurchmesser der Wellenquelle nicht erhöht werden kann, ist also die Höhe einer zu erzeugenden Vibrationskraft begrenzt und der Anwendungsbereich der Wellenquelle ist eingeschränkt. Diese Wellenquelle wird, beispielsweise, in dem Fall wirksam angewendet, wo PS-Wellenmeßvorgänge an jeder Tiefe mit einer Reihe von Sonden durchgeführt werden, wobei jede eine Wellenquelle und einen Empfänger enthält, die in einem Bohrloch eingesetzt sind, ohne daß sie an einer Wandfläche des Bohrloches befestigt sind. Es ist jedoch schwierig, diese Wellenquelle, die nur einen begrenzten Bereich der Wellenausbreitung aufweist, auf den Fall anzuwenden, wo Geschwindigkeitsmessung zwischen Bohrlöchern unter Verwendung von zwei Bohrlöchern durchgeführt wird.
In den letzten Jahren wurden die Tomographietechniken zur Messung der Geschwindigkeit von elastischen Wellen zwischen zwei Bohrlöchern und drei-dimensionales Ausdrücken (Tomographiebilder) der Wellencharakteristiken über eine weiten Bereich von Untergrund unter Verwendung der computergestützten Datenverarbeitungstechniken in die Bohrlochwellenquelle eingeführt. Gemäß diesen Techniken ist eine Wellenquelle in ein wellenerzeugendes Bohrloch eingesetzt, eines von zwei Bohrlöchern, und ein mehrfach verdrahteter Wellenempfänger ist in ein wellenempfangendes Bohrloch eingesetzt, das andere der Bohrlöcher. Dann wird die Geschwindigkeit der elastischen Wellen gemesen, wobei die Einstellposition (Tiefe) der Wellenquelle variiert wird, und das wellenerzeugende Bohrloch und das wellenempfangende Bohrloch werden gegeneinander ausgetauscht. Wenn jedoch die oben genannte herkömmliche Wellenquelle vom Typ eines elektromagnetischen Hammers verwendet wird, kann ein Signal eine Zwischenbohrlochdistanz von nur bis zu 10 m durchwandern. Folglich ist es nötig, eine größere Anzahl von Bohrlöchern vorzusehen und die herkömmliche Wellenquelle ist schwierig im praktischen Gebrauch.
Es ist ein Sprengstoff als Wellenquelle bekannt, der eine große Vibrationskraft aufweist. Wenn ein Sprengstoff verwendet wird, erreichen elastische Wellen eine Objektposition, selbst wenn der Abstand zwischen zwei Bohrlöchern um einige hundert Meter beträgt. Die Verwendung eines Sprengstoffs kann jedoch die zerstörung einer Bohrlochwand bewirken. Wenn die Messung der Geschwindigkeit von elastischen Wellen durch gegeneinander Austauschen der wellenerzeugenden Bohrlöcher und wellenempfangenden Bohrlöcher vorgenommen wird, kann ein schon zerstörtes wellenerzeugendes Bohrloch nicht als wellenempfangendes Bohrloch verwendet werden, selbst wenn der wellenerzeugende Punkt von einem tieferen Teil des Bohrloches zu einem Teil geringerer Tiefe verschoben werden kann. Danach kann die nötige Messung nicht in der Praxis durchgeführt werden. Da außerdem die Verwendung von Sprengstoffen mit vielen Einschränkungen belegt ist, ist es im wesentlichen unmöglich, einen Explosivstoff zu verwenden, insbesondere in bewohnten Gebieten.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine verbesserte Wellenquelle für Bohrlöcher zur Verfügung zu stellen, die von den bei den Wellenquellen aus dem Stand der Technik gefundenen Nachteilen befreit ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine sichere und leicht zu benutzende Bohrlochwellenquelle zur Verfügung zu stellen, die selbst in einem Bohrloch von geringem Durchmesser und mit hoher Auflösung (Resolutionskraft), bedingt durch die Hochfrequenzanteile der Welle, eine große Vibrationskraft erzeugt.
Noch ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine S-Wellen erzeugende Wellenquelle für Bohrlöcher zur Verfügung zu stellen, die eine S-Welle effektiv ausstrahlen kann, während die Ausstrahlung einer P-Welle verhindert ist.
Die Bohrlochwellenquelle vom Typ eines Fallgewichts gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Schichtstruktur ausgebildet aus einer Vielzahl von abwechselnd geschichteten federnden Elementen und Plattenelementen auf sowie einen Fallkörper, der oberhalb der Schichtstruktur angeordnet ist, und geeignet ist, entweder nur unter Schwerkraft oder nur unter Schwerkraft und Federkräften darauf herunterzufallen.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Wellenquelle durch Vorsehen einer Schichtstruktur im unteren Teil eines zylindrischen Gehäuses ausgebildet sein und durch Vorsehen eines Kolbenelements, das in dem zylindrischen Gehäuse auf der Schichtstruktur vertikal beweglich ist, und Einsetzen eines solchen Fallkörpers, der im zylindrischen Gehäuse zum Kolbenelement vertikal beweglich ist.
In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine Wellenquelle durch abwechselndes Aufstapeln einer Vielzahl von ringförmigen Plattenelementen und federnden Elementen und Einfügen von Schwenkachsenelementen zwischen benachbarte Plattenelemente, so daß die Schwenkachsenelemente sich in dieselbe Richtung erstrecken, ausgebildet sein.
In einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung ist eine Wellenquelle ausgebildet durch Vorsehen eines wasserdichten ausdehnbaren Mantels, so daß der Schichtkörper umhüllt ist, und eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung im Inneren dieses Mantels.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1A und 1B stellen schematisch die Konstruktion einer erfindungsgemäßen Bohrlochwellenquelle mit Fallkörper dar,
Figur 2 stellt eine Teilschnittseitenansicht einer spezifischeren Konstruktion einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenquelle dar,
Figur 2A stellt eine Schnittansicht eines bevorzugten Beispiels der Konstruktion eines in Figur 2 gezeigten Kolbens dar,
Figur 3 stellt eine Perspektivansicht eines in Figur 2 gezeigten Gehäuses dar, wobei Teile davon weggelassen sind,
Figur 4 stellt eine Explosionsperspektivansicht von Wellenscheiben und Ringplattenelementen einer in Figur 2 gezeigten Schichtstruktur dar,
Figur 5 stellt ein Beispiel der Verwendung der erfindungsgemäßen Wellenquelle dar,
die Figuren 6A und 6B stellen teilweise geschnittene Seitenansichten der Wellenquelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar,
die Figuren 7A und 7B stellen Perspektivansichten der Konstruktion eines Schichtkörpers gemäß einer dritten Ausführungsform der Bohrlochwellenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung dar,
die Figuren 8A und 8B stellen Diagramme der Konstruktion einer vierten Ausführungsform der Wellenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung dar,
Figur 9 stellt eine Teilschnittseitenansicht einer spezifischen Konstruktion der Ausführungsform der Figuren 8A und 8B dar,
Figur 10 stellt eine Explosionsperspektivansicht von Wellenscheiben, Ringplattenelementen und Schwenkachsenelementen in geschichtetem Zustand dar,
die Figuren 11A und 11b stellen ein Beispiel der Konstruktion eines Gehäuses in der Ausführungsform von Figur 9 dar,
die Figuren 12A, 12B und 12C stellen die Konstruktion eines Fallkörpers dar,
die Figuren 13A bis 13E stellen eine Betriebsweise eines Fallkörperabwurfmechanismus dar,
die Figuren 14A, 14B und 14C stellen schematisch die Konstruktion und den Betrieb der Wellenquelle einer anderen Ausführungsform dar, die wirksam für eine Geschwindigkeitsmessung in einem wasserfreien Bohrloch gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und
Figur 15 stellt eine Aufrißansicht einer besonderen Konstruktion der in den Figuren 14A bis 14C gezeigten Struktur und deren Betrieb dar,
die Figuren 16A und 16B stellen ein modifiziertes Beispiel der Ausführungsform der Figuren 14A bis 14C und deren Betrieb dar.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Die erfindungsgemäße Wellenquelle stellt eine Konstruktion zur Verfügung, wie sie schematisch in den Figuren 1A und 1B gezeigt ist, die versehen ist mit einem zylindrischen Gehäuse 10, einem Kolbenelement 20, das auf einer Schichtstruktur 18 angeordnet ist, das durch abwechselndes Aufeinanderstapeln einer Vielzahl von federnden Elementen 14 und Plattenelementen 16 ausgebildet ist und im unteren Teil des Gehäuses 10 eingesetzt ist. Das Kolbenelement 20 ist zum freien Bewegen im Gehäuse 10 in vertikaler Richtung geeignet, und ein Fallgewicht 22 ist zum Fallenlassen vom oberen Teil des Inneren des Gehäuses 10 zum Kolbenelement 20 geeignet. Der untere Teil des zylindrischen Gehäuses 10 kann verlängert sein und Öffnungen 12, beispielsweise in Form von axial langgestreckten Schlitzen sind auf der Außenwand des verlängerten Teils vorgesehen, um die Schichtstruktur 18 darin abzustützen. Eine Vielzahl von Führungsstäben (nicht gezeigt) können im unteren Teil des zylindrischen Gehäuses vorgesehen sein, und diese Stäbe sind durch Löcher eingesetzt, die in die Plattenelemente 16 eingebracht sind, um die Bewegungen der Plattenelemente 16 in ihren Ebenen einzuschränken.
Die federnden Elemente 14 bestehen beispielsweise aus Wellenscheiben oder Ringen (zum Beispiel O-Ringen und Gummibuchsen) aus gummiartigem Material und die federnden Elemente 14 und die ringförmigen Metallplattenelemente 16, deren Gesamtzahl um 10 bis 60 beträgt, sind abwechselnd aufgestapelt. Das zylindrische Gehäuse 10 ist an seinem inneren oberen Endteil mit einem Mechanismus zum Hochhalten und Freigeben des Fallgewichts 22 versehen, in der Weise, daß der Mechanismus mit dem Fallgewicht verbunden ist. Dieser Mechanismus kann von der Art sein, der eine Eigenfallkraft durch Schwerkraft nutzt. Ein Federmittel kann in den Mechanismus eingebracht sein, um eine nach unten gerichtete Federkraft auf das Fallgewicht 22 aufzubringen, um den Fallkörper kraftvoll fallen zulassen, und dies kann die Wellenerzeugungskraft erhöhen.
Das Fallgewicht 22 kann so ausgebildet sein, daß es direkt auf die obere Seite des Kolbenelements 20 fällt. Das Fallgewicht 22 kann auch so ausgebildet sein, daß seine Fallstoßkraft auf das Kolbenelement 20 über eine Flüssigkeit in einem auf dem Kolbenelement 20 vorgesehenen Flüssigkeitsreservoir übertragen wird. In solchen Fällen wird ein Fallgewicht bevorzugt von einer Feder oder einer Gummihaut aufgefangen.
Wenn das Fallgewicht 22 in dem in Figur 1A gezeigten Zustand auf das Kolbenelement 20 fällt, werden die federnden Elemente 14 bedingt durch die Stoßkraft plötzlich verformt, wie es in Figur 1B gezeigt ist, und die Schichtstruktur 18 bestehend aus den federnden Elementen 14 und den Plattenelementen 16 zieht sich in axialer Richtung zusammen. Folglich wird das zwischen den Plattenelementen 16 befindliche Bohrlochwasser durch die Öffnungen 12 herausgedrückt (in Richtung der Pfeile), so daß elastische Wellen in der Bohrlochwand erzeugt werden (nicht gezeigt).
Insbesondere wenn das Fallgewicht 22 durch die Kraft einer Feder nach unten getrieben wird, addiert sich diese Kraft zu dessen Eigenfallgewicht. Als Ergebnis davon erhöht sich die auf das Kolbenelement 20 ausgeübte Stoßkraft und die Wellenerzeugungskraft wird auch größer. Wenn die Öffnungen im zylindrischen Gehäuse 10 der Wellenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung an zwei gegenüberliegenden Teilen darin vorgesehen sind oder nur in einem Teil davon, wird eine Welle mit einer hohen Richtfähigkeit erzeugt. Wenn diese Vorrichtung so ausgebildet ist, daß die Fallkraft des Fallkörpers 22 zum Kolbenelement 20 über eine Flüssigkeit in einem auf dem Kolbenelement 20 vorgesehenen Flüssigkeitsreservoir übertragen wird, kollidiert das Fallgewicht 22 nicht direkt mit dem Kolbenelement 20, so daß die Verformung des Kolbenelements 20 vermieden werden kann.
In Figur 2, die genauer die in den Figuren 1A und 1B dargestellte Struktur erläutert, sind eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Schlitzen 32 in der Außenwand eines unteren Teils des zylindrischen Gehäuses 30 ausgebildet wie es in Figur 3 gezeigt ist. Ein Führungsstab 34 ist im Mittelteil des Gehäuses 30 angeordnet und an dessen unterem Ende befestigt, und das untere Ende des Gehäuses 30 ist mit einem Endstopfen 36 verschlossen. Eine Vielzahl von Wellenscheiben 38, die als Federelemente funktionieren, und eine Vielzahl von ringförmigen Metallplattenelementen 40 sind auf dem unteren Endstopfen 36 abwechselnd aufgestapelt (10 bis 50 Teile insgesamt) und im Gehäuse 30 untergebracht. Die Einzelheiten des Schichtzustandes dieser Wellenscheiben 38 und Ringplattenelemente 40 sind in Figur 4 gezeigt. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, ist die Wellenscheibe 38 durch Wellung einer dünnen ringförmigen elastischen Platte ausgebildet, so daß die Wellenscheibe eine axiale Last auf deren Umfangsbereich gleichmäßig aufnimmt und auf diese Weise einen mechanischen Teil bildet, der wirksam als Stoßdämpfer zum Einsetzen in einen kleinen Raum verwendet wird. Sie wird verbreitet allgemein als Feder benutzt, die auch als Abstandshalter dient. In dieser Ausführungsform können im Handel erhältliche Wellenscheiben verwendet werden. Der axiale Bereich der Ausbildung der Schlitze 32 entspricht im wesentlichen dem Bereich (in Richtung der Höhe) des Gehäuses, in dem die Schichtung untergebracht ist. Der Führungsstab 34 führt durch die zentralen Löcher in den Wellenscheiben 38 und ringförmigen Plattenelementen 40 und dient so dazu, die Umfangsteile der Wellenscheiben 38 und ringförmigen Plattenelemente 40 zu bestimmen und sie zu führen, wenn sie vertikal verschoben werden. Ein Kolben 42 ist auf der Schichtstruktur 18 vorgesehen (Figur 18)0 Dieser Kolben 42 besitzt umlaufend eine O-Ringdichtung 44 und kann verschiebbar in die axiale Richtung des Gehäuses 30 bewegt werden.
Eine Hebevorrichtung 46 mit einem Motor (nicht gezeigt) ist am oberen Endteil des Gehäuses 30 vorgesehen. Drähte 50 hängen von der Hebevorrichtung 46 und es sind Haken 48 an den unteren Endteilen angebracht und in die Lage gesetzt, einen oberen Griffteil 54 eines Fallgewichts 52 zu halten und freizugeben. Wenn das Fallgewicht 52 vertikal bewegt wird, wird es an seiner zentralen vertikalen Bohrung 56 durch einen Ablenkung (Schwingung) verhindernden Schaft 58 geführt. Der Ablenkung verhindernde Schaft 58 ist an seinem oberen Ende mit einem Vorsprung 60 zum Öffnen der Haken 48 versehen und eine Spiralfeder 62 zum Aufbringen einer nach unten gerichteten Federkraft auf das Fallgewicht 52 ist um den Schaft 58 vorgesehen.
Nun wird der Betrieb dieser Vorrichtung beschrieben. Der Griffteil 54 am oberen Ende des Fallkörpers 52 wird von den Haken 48 gegriffen und die Hebevorrichtung 46 wird so angetrieben, daß sie die Drähte 50 aufwindet. Das Fallgewicht 52 wird nach oben bewegt, während es durch den Ablenkung verhindernden Schaft 58 geführt ist, so daß es in kurzer Zeit das untere Ende der Spiralfeder 62 erreicht. Wenn der Drahtaufziehvorgang fortgesetzt wird, wird das Fallgewicht 52 gegen eine Federkraft der Spiralfeder 62 nach oben bewegt. Wenn die Haken 48 noch nach oben getrieben werden, selbst nachdem deren obere Teile den Hakenöffnungsvorsprung 60 erreicht haben, werden die unteren Enden der Haken 48 bedingt durch die Ansatzwirkung des Vorsprungs 60 und der Haken 48 geöffnet. Folglich wird das Fallgewicht 52 aus den Haken 48 freigegeben und fällt, bedingt durch die Federkraft der Spiralfeder 62 und des Gewichts des Fallkörpers selbst, auf den Kolben 42. Bedingt durch die zu diesem Zeitpunkt auftretende Stoßkraft werden die geschichteten Wellenscheiben 38 flach verformt und die Schichtstruktur zieht sich axial zusammen. Während dieser Zeit wird das Bohrlochwasser um die ringförmigen Plattenelemente 40 durch die Schlitze 32 nach außen abgegeben, so daß eine große Vibrationskraft auf die Bohrlochwand aufgebracht wird.
Die Ergebnisse eines unter Verwendung eines Prototyps durchgeführten Vorversuchs sind wie folgt. Eine Gesamtzahl von sechzig Wellenscheiben und ringförmigen Plattenelementen wurden abwechselnd aufgeschichtet und ein Fallgewicht von 1,2 kg wurde durch Schwerkraftwirkung aus einer Position von 1 m Höhe auf die Schichtstruktur abgeworfen. Als Ergebnis trat eine Vibrationsenergie (oder Wellenenergie) von ungefähr 12 J auf. Außerdem wurde bewiesen, daß die Vibrationswellenform im Vergleich zu einer Wellenquelle vom herkömmlichen Typ eines elektromagnetischen Hammers eine große Menge an Hochfrequenzanteilen aufweist. Ein wie oben beschriebener Hochfrequenzanteil stellt eine Möglichkeit zur Verbesserung der Auflösung (Auflösungskraft) dar. Die Messung der Geschwindigkeit von elastischen Wellen zwischen Bohrlöchern wurde unter Verwendung von zwei in einem Abstand von etwa 3 Metern angeordneten Bohrlöchern durchgeführt, wobei diese Wellenquelle in einer Position in einer Tiefe von 5 Metern in einem Bohrloch zur Wellenerzeugung angeordnet wurde und ein Wellenempfänger in einer Position in einer Tiefe von 35 Metern in einem Bohrloch zum Wellenempfang angeordnet wurde. Folglich wurde sicher gestellt, daß ein ausreichend gutes Signal nachgewiesen werden konnte. Selbst wenn eine herkömmliche Wellenquelle vom Typ eines elektromagnetischen Hammers unter denselben Bedingungen mit maximal eingestellter Verstärkung benutzt wurde, konnte kein Signal nachgewiesen werden. Wenn die Kapsel im Prototyp unter Druck mit der Kraft einer zusätzlich verwendeten Feder abgeworfen wurde, trat eine Wellenenergie von ungefähr 600 J auf. In Hinblick auf die Ergebnisse dieses Vorversuchs wird angenommen, daß die Geschwindigkeit von elastischen Wellen zwischen Bohrlöchern in zufriedenstellender Weise gemessen werden kann, sogar wenn der Abstand zwischen den Bohrlöchern ungefähr fünfzig bis fünfhundert Meter beträgt.
Fig. 2A zeigt ein bevorzugtes Beispiel der Konstruktion eines Kolbens, der in den Figuren 1A und 1B mit 20 bezeichnet ist. Diese Struktur wurde zur wirksamen Benutzung entwickelt, insbesondere, wenn die geologische Untersuchung wie Geschwindigkeitsmessung in einer Position in großer Tiefe (unter Tage) vorgenommen wird, und sie ist so konstruiert, daß sie entsprechend dem Wasserdruck im Bohrloch funktioniert, der notwendigerweise proportional zur Tiefe der Position zur Durchführung der Geschwindigkeitsmessung unter Tage zunimmt. Der Kolben 42 ist nämlich so konstruiert, daß ein Druckunterschied im Raum um den Kolben ausgeglichen wird, um die Veränderung der Kolbenhubleistung mit der Tiefe einer Meßposition zu vermeiden. Auf diese Weise kann dieselbe Vibrationskraft zu allen Zeiten erzeugt werden und folglich wird die Geschwindigkeitsmessung effektiv erreicht.
Wie in der Zeichnung gezeigt ist, ist eine Kolbenführungsplatte 30b mit einer zentalen Bohrung 30a integral mit dem Gehäuse 30 ausgebildet, in dem das Fallgewicht 52 beweglich vorgesehen ist, um das Innere des Gehäuses 30 in einen Fallkörperfallraum in einer oberen Position und eine Kolbenkammer in einer unteren Position aufzuteilen. Der Kolben 42 ist auf der Oberseite seines Unterteils 42c mit einem zentralen Vorsprung 42b versehen, der über eine gewünschte Packung verschiebbar in die vertikale Richtung in der zentralen Bohrung 30a bewegt werden kann, und auf der Unterseite des Unterteils 42c mit einer Vielzahl von in gleichem Abstand und kreisförmig angeordneten stabartigen Beinen 42a versehen ist, die nach unten vorspringen, und die einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Außendurchmesser des Unterteils 42c, so daß das Fallgewicht 52 im Fallkörperfaliraum auf den zentralen Vorsprung 42b fällt. Die Beine 42a des Kolbens 42 erstrecken sich unter einem ringförmigen Vorsprung 30d des Gehäuses 30, und halten Kontakt mit dem obersten Teil der Schichtstruktur aus ringförmigen Plattenelementen 40 und Wellenscheiben 38. Wenn der Fallkörper 52 auf den Kolben 42 fällt, üben die stabartigen Beine 42a des letzteren eine Stoßkraft auf die Schichtstruktur (38, 40) aus, so daß sie erreichen, daß die nötige Vibration auftritt. Da der Druck im Raum (auf die inneren, äußeren, oberen und unteren Seiten des Kolbens) um den Kolben 42 zu dieser Zeit ausgeglichen ist, tritt keine Veränderung der Kolbenhubleistung mit der Tiefe einer Geschwindigkeitsmeßposition auf, so daß eine konstant gleiche Vibrationskraft erzeugt werden kann. Daher können die Erzeugung von Vibrationen (Welle) und der Geschwindigkeitsmeßvorgang in geeigneter Weise durchgeführt werden.
Im Raum um den Kolben 42 liegt die darin eingeschlossene Luft, wenn die Wellenquelle in ein Bohrloch eingesetzt wurde, in einem komprimierten Zustand vor. Da diese Luft eine Kompressibilität besitzt, wird die Bewegung des Kolbens 42 nicht eingeschränkt, wenn er vom Fallgewicht getroffen wird.
Figur 5 stellt eine Tomographie dar, die die Technik zum Messen der Geschwindigkeit von elastischen Wellen, die zwischen zwei Bohrlöchern wandern, zeigt, und dreidimensional die Vibrationseigenschaften über einen weiten Bereich von Untergrund ausdrücken (tomographische Darstellung). Eine erfindungsgemäße Bohrlochwellenquelle 74 ist in ein durch 70 dargestelltes Wellen erzeugendes Bohrloch eingesetzt, und mehrfach verdrahtete Wellenempfänger 76 sind in ein durch 72 dargestelltes Wellen empfangendes Bohrloch eingesetzt. Wenn Wellen erzeugt werden, wobei der Betrieb der Bohrlochwellenquelle 74 durch eine Wellensteuerungseinheit 77 über Tage geregelt wird, breiten sich die elastischen Wellen wie durch unterbrochene Linien gezeigt aus, so daß sie die Wellenempfänger 76 erreichen. Die Signale von den Wellenempfängern 76 werden in einem Empfangswellenmeßgerät 78 aufgezeichnet Wellen werden erzeugt, während die Position (Tiefe) der Wellenquelle im Wellen erzeugenden Bohrloch 70 sequentiell verändert wird, und die elastischen Wellen werden im Wellen empfangenden Bohrloch 72 beobachtet. Das Wellen erzeugende Bohrloch und das Wellen empfangende Bohrloch werden dann umgekehrt verwendet und eine gleichartige Messung durchgeführt. Die Charakteristiken der Vibration (Welle) im Boden werden durch Computerverarbeitung der Ergebnisse dieser Beobachtung dreidimensional analysiert. Wenn die erfindungsgemäße Wellenquelle verwendet wird, erreichen die elastischen Wellen eine Objektposition, selbst wenn der Abstand zwischen den Bohrlöchern um fünfzig bis fünfhundert Meter beträgt, wie oben beschrieben wurde. Daher können die Vibrationseigenschaften über weiten Grund unter Verwendung einer geringen Anzahl von Bohrlöchern bestimmt werden.
Die Figuren 6A und 6B sind Konstruktionsbilder anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesen Ausführungsformen ist ein Flüssigkeitsreservoir auf der Oberseite eines Kolbenelementes 85, 95 vorgesehen und eine Fallstoßkraft eines Fallkörpers 89, 99 wird auf das Kolbenelement 85, 95 über die Flüssigkeit übertragen. Bedingt durch diese Konstruktion kollidiert das Fallgewicht 89, 99 nicht direkt mit dem Kolbenelement 85, 95 und die Deformation des Kolbenelements 85, 95 wird vermieden, so daß die Verschiebebewegung des Kolbenelements 85, 95 im Gehäuse 80, 90 nicht nachteilig beeinflußt wird. Eine Schichtstruktur aus Wellenscheiben und ringförmigen Plattenelementen ist in einem Schlitze tragenden Gehäuse angeordnet, in derselben Weise wie in den vorigen Ausführungsformen.
In der Struktur der Figur 6A ist eine Schichtstruktur aus einer Vielzahl von Wellenscheiben 81 und ringförmigen Plattenelementen 82 in einem Gehäuse 80 untergebracht, und ein unteres Flüssigkeitsreservoir 83 und eine Gaskammer 84 sind im unteren Endteil des Gehäuses 80 vorgesehen, wobei ein oberes Flüssigkeitsreservoir 86 auf der Oberseite eines Kolbenelements 85 vorgesehen ist. Ein Führungsstab 87 ist so vorgesehen, daß er sich durch den zentralen Teil des Kolbenelements 85 erstreckt, und eine Feder 88 auf einem Flanschteil des Führungsstabes, um ein Fallgewicht 89 aufzunehmen. Der fallende Fallkörper 89 trifft auf eine Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser) im oberen Flüssigkeitsreservoir 86. Da diese Flüssigkeit inkompressibel ist, wird die Fallstoßkraft des Fallkörpers 89 zum Kolbenelement 85 durch die Flüssigkeit übertragen, so daß das Kolbenelement 85 veranlaßt wird, sich zu senken. Folglich werden die Wellenscheiben 81 flach deformiert und das Bohrlochwasser in der Schichtstruktur nach außen abgegeben, um elastische Wellen in der Bohrlochwand zu erzeugen. Die oben beschriebene Betriebsweise dieser Ausführungsform ist mit der für die zuvor beschriebene Ausführungsform identisch. Die Fallstoßkraft des fallenden Fallkörpers 89 wird von der Führungsstange 87 und dem Gehäuse 80 aufgenommen. Das danach weiter fallende Fallgewicht 89 wird von der Feder 88 aufgenommen, so daß das Fallgewicht 89 nicht mit dem Kolbenelement 85 kollidiert. Ein Gas (zum Beispiel Luft) in der Gaskammer 84, das eine Kompressibilität besitzt, erfüllt seine Funktion, das Absenken des Kolbenelements 85 zu verschieben.
In der in Figur 6B gezeigten Modifikation ist eine Schichtstruktur aus einer Vielzahl von Wellenscheiben 91 und ringförmigen Plattenelementen 92 in einem Gehäuse 90 untergebracht und ein unteres Flüssigkeitsreservoir 93 und eine Gaskammer 94 sind im unteren Endteil des Gehäuses 90 vorgesehen, wobei ein oberes Flüssigkeitsreservoir 96 auf der Oberseite eines Kolbenelements 95 vorgesehen ist. Die obere Fläche einer Flüssigkeit im oberen Flüssigkeitsreservoir 96 ist mit einer Gummihaut 97 abgedeckt, so daß das Fallgewicht 99 darauf aufkommt. Das fallende Fallgewicht 99 trifft eine Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser) im oberen Flüssigkeitsreservoir 96 durch die Gummihaut 97. Die Fallstoßkraft des Fallkörpers 99 wird auf das Kolbenelement 95 übertragen, um zu bewirken, daß es sich absenkt, die Wellenscheiben 81 flach deformiert werden und das Bohrlochwasser in der Schichtstruktur nach außen abgegeben wird.
Die Figuren 7A und 7B zeigen ein weiteres Beispiel (in einer dritten Ausführungsform) der Konstruktion der in der Wellenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung und einem modifizierten Beispiel davon verwendeten Schichtstruktur. Im Beispiel von Figur 7A sind eine Vielzahl von (im dargestellten Beispiel drei) Löchern 43 im äußeren Bereich jedes ringförmigen Plattenelements 41 eingebracht, anstelle der Verwendung eines Öffnungen tragenden Gehäuses, und Führungsstangen 35 mit einem Durchmesser, der viel kleiner ist als der dieser Löcher 45, sind durch die Löcher 43 eingesetzt. Bedingt durch diese Konstruktion, sind die ringförmigen Plattenelemente 41 so gehalten, daß ihre Bewegungen in ihren Ebenen beschränkt sind.
Außer diesem Beispiel können Ringe 39 aus einem gummiartigen Material anstelle von Wellenscheiben verwendet werden, wie es in Figur 7B gezeigt ist. Diese Ringe 39 können im Querschnitt kreisförmig sein wie O-Ringe, oder im Querschnitt rechtwinklig sein wie Gummibuchsen. Es können alle Materialien verwendet werden, sofern sie sich bei einem Aufprall eines darauffallengelassenen Fallkörpers zusammenziehen können und danach ihre ursprüngliche Form wieder erlangen. Da die Höhe solcher Ringe 39 über deren gesamten Umfang konstant ist, müssen ein Gehäuse mit Öffnungen und Führungsstäbe, die im Falle verwendet werden, wo Wellenscheiben vorhanden sind, nicht notwendigerweise vorgesehen sein und können weggelassen werden. Selbst wenn einfache ringförmige Plattenelemente 40 ohne kleine Löcher in deren Außenbereich mit nur einem Führungsstab (dargestellt durch Bezugszeichen 34 in Figur 2) durch zentrale Teile der Elemente 40 eingesetzt verwendet werden, kann ein gewünschter geschichteter Zustand der Ringe und Plattenelemente erhalten werden.
Geeignete federnde Teile, wie Blattfedern anstelle der oben beschriebenen Wellenscheiben und Gummiringe können als federnde Elemente verwendet werden. Die Form und Positionen der in der Außenwand des Gehäuses ausgebildeten Öffnungen können in geeigneter Weise entsprechend der Richtfähigkeit der zu erzeugenden Vibrationen (elastische Wellen) verändert werden. Das Vorsehen oder Weglassen des Führungsstabes und seine Form und das Kolbenelement können ebenfalls in geeigneter Weise gemäß der Konstruktion der Vorrichtung gewählt werden und auch der Mechanismus zum Greifen und Freigeben des Fallgewichts, der Mechanismus zum Heben, Halten und Freigeben des Fallgewichts und der Federmechanismus zum Aufbringen der nach unten gerichteten Federkraft auf das Fallgewicht können durch andere geeignete Teile ersetzt sein, wie es nötig ist.
In diesen Ausführungsformen sind eine Vielzahl von Plattenelementen und federnden Elementen abwechselnd aufgeschichtet und ein Fallkörper wird fallengelassen, damit er mit der Schichtstruktur kollidiert, so daß die federnden Elemente deformiert werden, um das Bohrlochwasser um die Plattenelemente nach außen abzugeben und elastische Wellen in der Bohrlochwand zu erzeugen, und das Gewicht des Fallkörpers ist eingestellt, um seine Fallgeschwindigkeit zu erhöhen und ein geeignetes Maß an Wellen zu erzeugen. Dementsprechend kann die Fallenergie durch Erhöhen des Gewichts des Fallkörpers und einer Fallhöhe und durch Antreiben des Fallkörpers mit einer Feder erhöht werden. Als Ergebnis kann eine große Vibrationskraft erzeugt werden, selbst wenn der Durchmesser einer Öffnung des Gehäuses gering ist. Da die Welle eine große Menge an hochfrequenten Anteilen enthält, wird die Auflösung (Auflösekraft) verbessert. Wenn daher die Geschwindigkeit von elastischen Wellen zwischen Bohrlöchern gemessen wird, können die Wellencharakteristiken eines weiten Bereichs von Bodenformationen genau bestimmt werden, indem nur eine geringe Anzahl von Bohrlöchern verwendet wird. Da kein Sprengstoff verwendet wird, kann die Wellenquelle sicher und leicht benutzt werden, so daß es keine Möglichkeit gibt, daß die Bohrlochwand bricht. Die Wellenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher optimal für die tomographischen Techniken genutzt
Bei der Bohrlochwellenquelle vom Typ des Fallkörpers für S- Wellen (Scherwellen), der ein Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht, ist ein Mechanismus zum Fallenlassen des Fallkörpers vorgesehen, wie er in den Figuren 8A und 8B dargestellt ist, die dessen Konstruktion schematisch zeigen. In diesem Mechanismus ist eine Schichtstruktur 18 durch abwechselndes Aufschichten von Plattenelementen 16 und federnden Elementen 14 und Einsetzen von Schwenkachsenelementen 11 zwischen die Plattenelemente 16, so daß die Schwenkachsenelemente 11 sich in dieselbe Richtung erstrecken, ausgebildet, und ein Fallkörper 22 wird auf die Schichtstruktur 18 fallengelassen, so daß der obere Teil eines Seitenteils, der dem anderen Seitenteil in Bezug auf den Drehpunkt der Schichtstruktur 18 gegenübersteht, zwangsweise getroffen wird.
Die Schwenkachsenelemente 11 besitzen einen im Querschnitt kreisförmigen oder dreieckigen Körper (keilförmiger Körper) und erstrecken sich in die diametrale Richtung der Plattenelemente 16. Diese Schwenkachsenelemente 11 dienen auch als Abstandhalter für die Plattenelemente 16 und die Plattenelemente 16 sind in regelmäßigen Abständen (mit einer Abstufung entsprechend dem Durchmesser eines Schwenkachsenelements 11) und horizontal (parallel zueinander) auf den federnden Elementen 14 abgestützt.
Der Fallkörperabwurfmechanismus ist beispielsweise zusammengesetzt aus einem Fallkörper, einer Fallkörperhebevorrichtung, einem Halte- und Freigabemechanismus und einem Federmechanismus zum Aufbringen einer nach unten gerichteten Federkraft auf das Fallgewicht und zwei Fallkörperabwurfmechanismen sind oberhalb der Schichtstruktur vorgesehen. Der Fallgewichtabwurfmechanismus kann auch ein Fallgewicht mit einem Vorsprung auf einem Seitenteil seiner unteren Seite, einen Mechanismus zum Ausführen einer halben Drehung, zum Halten und Freigeben des Fallgewichts und einen Federmechanismus zum Aufbringen einer nach unten gerichteten Federkraft auf das Fallgewicht umfassen. In diesem Fall kann nur ein Fallgewichtabwurfmechanismus vorgesehen sein. In diesen Strukturen kann ein System unter Verwendung der Eigenfallkraft des Fallgewichts durch Schwerkraft verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Federmechanismus zum Aufbringen einer nach unten gerichteten Federkraft auf das Fallgewicht wie oben beschrieben eingebracht, um das Fallgewicht kraftvoll abzuwerfen, so daß eine erhöhte Wellenerzeugungskraft auftritt.
Es kann eine Schichtstruktur 18 im unteren Teil des Inneren eines Gehäuses 10 mit Öffnungen 12 in ihrer Außenwand untergebracht sein, so daß ein Fallkörperabwurfmechanismus über der Schichtstruktur vorgesehen ist. Die Öffnungen 12 können in dem Teil der Außenwand des zylindrischen Gehäuses 10 ausgebildet sein, der im Bereich der Schichtstruktur liegt, so daß sie sich, beispielsweise, eng in axialer Richtung erstrecken. Es kann auch eine andere Struktur verwendet werden, in der positionsbegrenzende Schäfte durch Löcher in den Randbereichen der Plattenelemente eingesetzt sind, ohne, daß die Wand eines zylindrischen Gehäuses in dem Teil vorhanden ist, der im Bereich einer Schichtstruktur liegt. Wenn Gummiringe verwendet sind, kann eine Schichtstruktur nur durch einen zentralen Führungsstab gehalten sein.
In der in Figur 8A gezeigten Struktur sind die Plattenelemente 16 horizontal auf den Schwenkachsenelementen 11 und federnden Elementen 14 gestützt. Die Räume um die Plattenelemente 16 sind mit Bohrlochwasser gefüllt. Wenn das Fallgewicht 22 auf die Schichtstruktur in diesem Zustand fällt, werden die federnden Elemente 14 bedingt durch deren Stoßkraft plötzlich deformiert, wie es in Figur 8B gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt verändert sich die Höhe des zentralen Teils der Schichtstruktur 18, die aus Plattenelementen 16 und federnden Elementen 14 besteht, nicht, weil die Schwenkachsenlemente 11 als Abstandhalter zwischen die Plattenelemente eingesetzt sind, und der Abstand zwischen den Teilen der Plattenelemente, die auf der vom Fallgewicht getroffenen Seite liegen (rechte Seite in der Ausführungsform von Figur 8B) ist gegen die Federkraft der federnden Elemente 14 reduziert, während der Abstand zwischen den Teilen der Plattenelemente, die auf der nicht vom Fallgewicht getroffenen Seite liegen entsprechend umgekehrt erhöht ist. Da diese Erscheinung im Wasser auftritt, wird das zwischen den Teilen der Plattenelemente mit reduziertem Abstand befindliche Wasser plötzlich herausgedrückt, wie es durch hohle oder weiße Pfeile gezeigt ist, während das Bohrlochwasser von außen in die Räume zwischen den im Abstand vergrößerten Teilen der Plattenelemente fließt. Das Auftreffen des Wassers bewirkt, daß elastische Wellen (S-Wellen in diesem Fall) in der Bohrlochwand entstehen.
Wenn die Schwenkachsenelemente 11 so vorgesehen sind, daß sie sich in diametraler Richtung der ringförmigen Plattenelemente 16 erstrecken, werden die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers, das aus den Räumen in der Schichtstruktur herausfließt, und die des Wassers, das dort hineinfließt gleich, so daß das Gesamtvolumen des Wassers in der Wellenquelle nicht verändert wird. Dementsprechend bildet diese Vorrichtung eine ideale Dipolwellenquelle. Wenn ein Fallgewicht 22 so ausgebildet ist, daß es durch die Kraft einer Feder nach unten gezwungen wird, addiert sich diese Kraft zur Eigenfallkraft des Fallgewichts. Folglich nimmt die auf die Oberseite der Schichtstruktur vermittelte Stoßkraft weiter zu, und eine Wellen erzeugende Kraft wird groß, so daß diese Struktur bevorzugt ist.
Figur 9 zeigt eine spezifischere Konstruktion gemäß der Ausführungsform der Figuren 8A und 8B der vorliegenden Erfindung, in der große sich axial erstreckende Öffnungen 32 auf gegenüberliegenden Seiten eines unteren Teils eines Gehäuses 30 ausgebildet sind. Im unteren mittleren Teil des Gehäuses 30 ist ein Führungsstab 34 angeordnet und der untere Endteil des Führungsstabes ist an einem unteren Endstopfen 36 für das Gehäuse 30 befestigt. Eine Vielzahl von (ungefähr 10 bis 50) Wellenscheiben 38 dienen als federnde Elemente und besitzen eine Federkraft und ringförmige Metallplattenelemente 40 sind in abwechselnd geschichtetem Zustand auf dem unteren Endstopfen 36 im Gehäuse 30 untergebracht. Zwischen allen ringförmigen Plattenelementen 40 sind säulenförmige Schwenkachsenelemente (gezeigt durch 11 in den Figuren 8A und 8B, und durch 42 in Figur 10) angeordnet. Der axiale Bereich der Ausbildung der Packungen 32 entspricht im wesentlichen der Position (Höhe) des Aufbaus der Schichtstruktur. Der Führungsstab 34 erstreckt sich durch die zentralen Löcher der Wellenscheiben 38 und ringförmigen Plattenelemente 40 und erfüllt die Funktion, die Wellenscheiben und Ringplatten in derselben Weise wie in den vorigen Ausführungsformen ungefähr zu positionieren.
In Figur 10 sind die Schwenkachsenelemente 42 so angeordnet, daß sie sich alle in dieselbe Richtung erstrecken und sie sind durch Schweißen an zwei diametral gegenüberliegenden Teilen einer Fläche der ringförmigen Plattenelemente 40 befestigt. Diese Schwenkachsenelemente 42 können im Querschnitt eine dreieckige Form aufweisen (Keilform), anstelle einer im Querschnitt kreisrunden Form. Die Wellenscheiben 38 bestehen aus dünnen ringförmigen federnden gewellten Plattenelementen, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, un sie werden verbreitet allgemein als Federn vom Typ eines Abstandhalters verwendet. Die in dieser Ausführungsform dargestellten und verwendeten Scheiben 38 sind im Handel erhältlich.
Nochmal zu Figur 9, worin zwei Fallgewichtabwurfmechanismen Seite an Seite im oberen Teil des Gehäuses 30 vorgesehen sind. Diese Fallgewichtabwurfmechanismen sind mit dem der Ausführungsform von Figur 2 identisch und besitzen Hebevorrichtungen 46 mit einem Motor. Es sind Haken 48, die geöffnet und geschlossen werden können, an Drähten 50 befestigt. Die Drähte 50 hängen an jeder Hebevorrichtung 46 und diese Haken 48 sind so ausgebildet, daß sie den oberen Griffteil 54 eines Fallgewichts 52 ergreifen und freigeben können. Das Fallgewicht 52 ist während seiner vertikalen Bewegungen durch einen Ablenkung verhindernden Schaft 58 geführt, der sich vertikal durch eine Bohrung 56 im mittleren Teil des Fallgewichts 52 erstreckt, um eine Ablenkungs- oder Schwingungsbewegung zu verhindern. Der Schaft 58 ist an seinem oberen Teil mit einem Vorsprung 60 zur Hakenfreigabe versehen und an seinem Außenbereich mit einer Spiralfeder 62 zum Aufbringen einer nach unten gerichteten Federkraft auf das Fallgewicht, und die oben beschriebene Anordnung ist auch identisch zu der entsprechenden Anordnung in der Ausführungsform von Figur 2.
Es wird die Arbeitsweise der Vorrichtung in der Ausführungsform von Figur 9 beschrieben, obwohl sie mit der der mit Bezug zu Figur 2 beschriebenen Ausführungsform fast identisch ist.
Jeder der Fallkörperabwurfmechanismen wird einzeln angetrieben. Der Griffteil 54 am oberen Ende des Fallgewichts 52 wird von den Haken 48 ergriffen und die Hebevorrichtung 46 wird angetrieben, so daß sie die Drähte 50 aufwindet. Das Fallgewicht 52 bewegt sich nach oben, während es durch den Ablenkung verhindernden Schaft 58 geführt ist, und erreicht in kurzer Zeit den unteren Endteil der Spiralfeder 62. Wenn der Drahtaufziehvorgang fortgesetzt wird, wird das Fallgewicht 52 nach oben gegen eine Federkraft der Spiralfeder 62 bewegt. Wenn das Fallgewicht 52 noch nach oben gezwungen wird, selbst wenn die oberen Endteile der Haken 48 den Hakenöffnungsvorsprung 60 passiert haben, werden die unteren Endteile der Haken 48 durch die Ansatzwirkung des Vorsprungs 60 und der Haken 48 geöffnet. Folglich wird das Fallgewicht 52 aus den Haken 48 freigegeben und es fällt durch die Federkraft der Spiralfeder 62 und sein Eigengewicht auf einen Seitenteil der Schichtstruktur, so daß die aufgeschichteten Wellenscheiben 38 bedingt durch die Stoßkraft deformiert werden. Während dieser Zeit verändert sich die Höhe des mittleren Teils der Schichtstruktur nicht, weil die Schwenkachsenelemente 14 zwischen deren Elemente als ganzes eingesetzt sind. Die Abstände zwischen den Teilen der ringförmigen Plattenelemente 40 auf der vom Fallgewicht getroffenen Seite werden jedoch reduziert und die Teile derselben Plattenelemente 40 auf der gegenüberliegenden Seite werden geneigt, so daß die Abstände sich vergrößern. Folglich wird das Bohrlochwasser in den Räumen um die ringförmigen Plattenelemente 40 plötzlich aus der im Abstand reduzierten Seite nach außen durch die Öffnungen ausgestoßen, während das Bohrlochwasser plötzlich von der Außenseite in die Räume zwischen den im Abstand vergrößerten Teilen der Plattenelemente einströmt. Bedingt durch das Auftreffen des Wassers auf die Wand des Bohrlochs wird eine große Vibrationskraft darauf aufgebracht.
Die Figuren 11a, 11b und 12A bis 12C zeigen modifizierte Beispiele der Konstruktion der Ausführungsform von Figur 90 In diesem modifizierten Beispiel ist nur ein Satz Fallgewicht und Hebevorrichtung vorgesehen, so daß sie den Zweck erfüllen kann, indem ein Fallgewicht mit Vorsprung auf einem Seitenteil ihrer Unterseite vorgesehen ist, und ein Mechanismus zum Ausführen einer halben Drehung, zum Halten und Freigeben des Fallgewichts. Ein Mechanismus zum Heben, Halten und Freigeben des Fallgewichts und ein Federmechanismus können mit denen der vorigen Ausführungsformen identisch sein.
Wie in den Figuren 11A und 11b gezeigt ist, ist ein Gehäuse 80 mit einem sich axial erstreckenden Führungsvorsprung 81 auf dem Teil seiner Innenfläche versehen, der etwas höher ist als der Schichtstruktureinsatz und ein Vorsprung 82 zum Ausführen einer halben Drehung des Fallgewichts auf dem Teil derselben Innenfläche, der dazu dient, das Fallgewicht halb zu drehen. Der Vorsprung 82 ist nach oben entfernt vom oberen Ende des Führungsvorsprungs 81 in einem Abstand, der etwas kleiner ist als die Höhe des Fallgewichts. Ein Führungsschaft 83 zum Bewegen des Fallgewichts ist im mittleren Teil des Inneren des Gehäuses 80 aufgehängt. Wie in den Figuren 12A, 128 und 12C gezeigt ist, besitzt das Fallgewicht einen säulenförmigen Körper und eine vertikale durchgehende Bohrung 86 in ihrem Mittelteil, durch die der Führungsschaft 83 eingesetzt ist und ein Vorsprung 87 ist auf einem Seitenteil der unteren Seite des Fallgewichts 85 vorgesehen. Das Fallgewicht 85 besitzt ferner vertikale Nuten 89a, 89b in den in einem Abstand von 180º angeordneten symmetrischen Teilen ihrer äußeren Umfangsfläche und spiralförmige Nuten 90a, 90b, die sich in derselben Richtung zwischen den beiden vertikalen Nuten 89a, 89b halb drehen. Außerdem ist eine Wechselvorrichtung 91, wie ein Absperrventil, zum Öffnen und Schließen der Nuten im oberen Teil des Fallgewichts vorgesehen, in dem die vertikalen Nuten 89a, 89b und spiralförmigen Nuten 90a, 90b sich kreuzen, wie es in Figur 12C gezeigt ist.
Die Betriebsweise dieses Fallgewichtabwurfmechanismus wird nun mit Bezug zu den Figuren 13A bis 13C beschrieben.
Zunächst wird angenommen, daß der Führungsvorsprung 81 in eine vertikale Nut 89a im Fallgewicht 85 eingepaßt ist wie es in Figur 15A gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Vorsprung 87 auf der Unterseite des Fallgewichts 85 auf der rechten Seite der Zeichnung positioniert. Wenn das Fallgewicht 85 dann angehoben wird, bewegt es sich nach oben, ohne daß es gedreht wird, und sein oberer Teil erreicht eine Position nahe dem Vorsprung 82 (Figur 13B). Wenn das Fallgewicht weiter angehoben wird, wird der Vorsprung 82 durch die Bedienung der Wechselvorrichtung 91 (Figur 12C) von der vertikalen Nut 89a zur spiralförmigen Nut 90a geführt, um zu bewirken, daß das Fallgewicht 85 halb gedreht wird, wie es in Figur 13C gezeigt ist, bis es den Zustand von Figur 13D erreicht hat. Folglich wird der Vorsprung 87 auf der Unterseite des Fallgewichts 85 zur linken Seite in derselben Zeichnung bewegt. Wenn das Fallgewicht 85 dann freigelassen wird, fällt es so, daß es bewirkt, daß die andere vertikale Nut 89b über den Führungsvorsprung 81 paßt, so daß die linke Seite der Schichtstruktur getroffen werden kann. Es kann nämlich jedes Mal, wenn das Fallgewicht 85 angehoben und fallengelassen wird, eine Stoßkraft abwechselnd auf die rechte und linke Seite der Schichtstruktur aufgebracht werden.
Wie oben beschrieben sind in der in Figur 9 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Plattenelementen und federnden Elementen abwechselnd aufgeschichtet und Schwenkachsenelemente sind zwischen die Plattenelemente eingesetzt, so daß sich die Schwenkachsenelemente in dieselbe Richtung erstrecken, wodurch eine Schichtstruktur ausgebildet ist, so daß der obere Teil der einen von zwei Seitenteilen der Schichtstruktur, die durch die Schwenkachsenelemente einander gegenüberstehen, zwangsweise vom Fallgewicht getroffen wird. Dadurch wird der Abstand zwischen den Teilen der Plattenelemente auf der vom Fallgewicht getroffenen Seite reduziert, während der Abstand zwischen den Teilen der Plattenelemente auf der gegenüberliegenden Seite erhöht wird. Folglich wird das Wasser in den Räumen zwischen den im Abstand reduzierten Teilen der Plattenelemente plötzlich nach außen herausgedrückt und das Wasser strömt plötzlich von außen in die Räume zwischen den im Abstand vergrößerten Teilen der Plattenelemente, so daß elastische Wellen (S-Wellen) in der Wand des Bohrlochs erzeugt werden können.
Die Figuren 14A bis 14C zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Ausführung einer Geschwindigkeitsmessung in einem Bohrloch ohne Wasser darin wirksam angewendet wird.
Die Konstruktion der Wellenquelle in dieser Ausführungsform kann als identisch mit der der vorigen Ausführungsformen betrachtet werden, insbesondere der Ausführungsform von Figur 2, mit der Ausnahme, daß die Ausführungsform der Figuren 14A bis 14C ein Gummirohr 24 als Abdeckung an einem zylindrischen Gehäuse 10 befestigt aufweist, so daß die Schichtstruktur 18 umhüllt ist, ein Wassereinspritzrohr 25 zum Füllen des Gummirohres 24 mit Wasser aus einer Position auf der Erde und ein Gasablaßrohr 26.
Die Verwendung und Betriebsweise der Wellenquelle in dieser Ausführungsform wird nun kurz beschrieben. Wie in Figur 14A gezeigt, wird eine Wellenquelle in ein Bohrloch eingesetzt Das Bohrloch kann ohne Wasser sein, was bei Bohrlöchern äußerst geringer Tiefe oft der Fall ist. Nachdem diese Wellenquelle auf eine bestimmte Position heruntergelassen ist, wird Wasser von der Erdoberfläche zum Inneren des Gummirohrs 24 durch das Wassereinspritzrohr 25 zugeführt, und die Luft im Gummirohr 24 wird gleichzeitig aus dem Gasablaßrohr 26 abgegeben. Das Wasser wird kontinuierlich zugeführt, bis das Gummirohr 24 in engem Kontakt mit einer Bohrlochwand 28 ist (Figur 14B). Wenn ein Fallgewicht 22 auf das Kolbenelement 20 fallengelassen wird, wobei das Gummirohr 24 in einem expandierten Zustand ist, werden die federnden Elemente 14 durch die Stoßkraft plötzlich verformt und die Schichtstruktur 18 bestehend aus den federnden Elementen 14 und Plattenelementen zieht sich axial zusammen (Figur 14C). Als Ergebnis davon wird das Wasser in den Räumen zwischen den Plattenelementen 16 in Richtung nach außen herausgedrückt, wie es durch die Pfeile gezeigt ist, so daß elastische Wellen in der Bohrlochwand 28 durch das Wasser im Gummirohr 24 und das Gummirohr 24 selbst erzeugt werden. Da der Gummi wie das Wasser imkompressibel ist, bewirkt das Gummirohr 24 keine besondere Schwierigkeiten. Auf diese Weise können die Wellen mit hoher Effizienz zur Bohrlochwand übertragen werden, obwohl kein Bohrlochwasser vorhanden ist.
Figur 15 zeigt eine spezifische Struktur der Wellenquelle für nicht wasserhaltige Bohrlöcher, in der eine Vielzahl von axialen Schlitzen 32 im unteren Teil der Umfangswand eines Gehäuses 30 ausgebildet sind, in derselben Weise wie in der Ausführungsform von Figur 2, und außerdem ist ein Gummirohr 45 vorgesehen, um diese Schlitze 52 zu bedecken, wobei dessen beide Endteile am Gehäuse 30 befestigt sind. Da die Konstruktion der übrigen Teile mit der der entsprechenden Teile der Ausführungsform von Figur 2 identisch ist, wird auf eine ausführliche Beschreibung hierzu verzichtet.
Die Figuren 16A und 16B zeigen eine modifizierte Struktur einer Wellenquelle für nicht wasserhaltige Bohrlöcher. Diese Struktur besteht aus einer Wellenquelle für S-Wellen, in der federnde Elemente 14 und Plattenelemente 16 abwechselnd aufgeschichtet sind, wobei Schwenkachsenelemente 77 zwischen die Plattenelemente eingesetzt sind, so daß die Schwenkachsenelemente 77 sich in dieselbe Richtung erstrecken, so daß eine Schichtstruktur ausgebildet ist. Diese Wellenquelle besitzt einen Fallgewichtabwurfmechanismus, der geeignet ist, die Oberseite von zwei Seitenteilen der Schichtstruktur kraftvoll zu treffen, die über die Schwenkachsenelemente einander gegenüberstehen, wenn ein Fallgewicht darauf abgeworfen wird. Die Wellenquelle besitzt ein Gummirohr 24, das als Abdeckung dient, die die Schichtstruktur umgibt, ein Einspritzrohr 25 zum Füllen des Gummirohrs 24 mit Wasser von der Erdoberfläche und ein Gasauslaßrohr 26, in derselben Weise wie in den vorigen Ausführungsformen.
Diese Wellenquelle für nicht wasserhaltige Bohrlöcher wird in ein Bohrloch eingesetzt und das Gummirohr 24 wird mit Wasser gefüllt, so daß das Gummirohr 24 in engem Kontakt mit der Bohrlochwand 28 ist, indem Wasser von der Erdoberfläche in das Gummirohr 24 durch das Wassereinspritzrohr 25 eingespritzt und Luft im Gummirohr 24 aus dem Gasauslaßrohr 26 abgeführt wird (Figur 16A). Während dieser Zeit sind die Plattenelemente 16 horizontal durch die Schwenkachsenelemente 17 und federnden Elemente 14 gestützt. Wenn das Fallgewicht 22 dann von der oberen Seite fallengelassen wird, werden die federnden Elemente 14 plötzlich durch die Stoßkraft deformiert, wie es in Figur 16B gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt verändert sich die Höhe des mittleren Teils der Schichtstruktur umfassend die Plattenelemente 16 und federnden Elemente 14 nicht, weil die Schwenkachsenelemente 77 zwischen die Plattenelemente eingesetzt sind und als Abstandhalter wirken. Die Abstände zwischen den Teilen der Plattenelemente 16 auf der vom Fallgewicht getroffenen Seite (rechte Seite in Figur 168) sind gegen die Federkraft der federnden Elemente 14 reduziert, und die Abstände zwischen den Teilen der Plattenelemente 16 auf der nicht vom Fallgewicht getroffenen Seite erhöht sich umgekehrt entsprechend. Da diese Erscheinung im Wasser auftritt, wird das Wasser zwischen den Teilen der Plattenelemente mit reduziertem Abstand plötzlich herausgedrückt, wie es durch weiße Pfeile in Figur 16B gezeigt ist, während das Wasser plötzlich in die Räume zwischen den im Abstand vergrößerten Teilen der Plattenelemente einströmt Die Stoßkraft des Wassers bewirkt, daß elastische Wellen (S- Wellen) in der Bohrlochwand auftreten.
Das als Abdeckung dienende Gummirohr 24 kann aus einem Material gebildet sein, daß selbst nicht expandierbar ist. Es kann in einem gefalteten Zustand in Form eines Beutels ausgebildet sein und wird durch eine darin eingespritzte Flüssigkeit expandiert, so daß es in engen Kontakt mit der Bohrlochwand kommt.
Oben sind Beschreibungen der besonders bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angegeben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und sie kann im Rahmen der beigefügten Ansprüche umfangreich modifiziert werden.

Claims

1. Eine Bohrlochwellenquelle der einen Fallkörper aufweisenden Art, umfassend eine durch wechselweise Stapelung von federnden Elementen (14) und Plattenelementen (16) gebildete geschichtete Einheit (18) sowie einen Fallkörper (22), der oberhalb der besagten geschichteten Einheit angeordnet und zum Fallenlassen auf die besagte geschichtete Einheit ausschließlich unter Einwirkung der Schwerkraft oder ausschließlich unter Einwirkung der Schwerkraft und von Federkräften geeignet ist.

2. Eine Wellenquelle nach Anspruch 1,umfassend ein zylindrisches Gehäuse (10), wobei die geschichtete Einheit (18) in dem unteren Bereich des besagten zylindrischen Gehäuses vorgesehen und oberhalb der besagten geschichteten Einheit ein in dem besagten Gehäuse bewegliches Kolbenelement (20) angeordnet ist und wobei der Fallkörper (22) zum Fallenlassen auf das besagte Kolbenelement (20) von dem oberen Bereich des Innenraums des besagten Gehäuses aus geeignet ist.

3. Eine Wellenquelle nach Anspruch 2, bei der das besagte zylindrische Gehäuse in dem unteren Bereich einer Umfangswand des Gehäuses Öffnungen (12) aufweist.

4. Eine Wellenquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die besagten federnden Elemente (14) wellige Beilagen mit Federungsvermögen und die besagten Plattenelemente (16) ringförmige Metallplatten sind.

5. Eine Wellenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die besagten federnden Elemente (14) ringförmige Elemente aus einem gummiartigen Werkstoff und die besagten Plattenelemente (16) ringförmige Metallplatten sind.

6. Eine Wellenquelle nach Anspruch 2, bei der das besagte zylindrische Gehäuse (10) in einem oberen Endbereich seines Innenraums einen Betätigungsmechanismus zum Heben, Halten und Freigeben des besagten Fallkörpers (22) sowie einen Federmechanismus (62) zum Ausüben einer abwärts gerichteten Federkraft auf den besagten Fallkörper umfaßt.

7. Eine Wellenquelle nach Anspruch 3, bei der auf dem besagten Kolbenelement (20) ein Flüssigkeitsbehälter (86) vorgesehen ist, wobei auf das besagte Kolbenelement über eine in dem besagten Behälter enthaltene Flüssigkeit eine fallbedingte Schlagkraft des besagten Fallkörpers (22) ausgeübt wird.

8. Eine Wellenquelle nach Anspruch 1 für S-Wellen, bei der zwischen den besagten Plattenelementen (16) Schwenkachsenelemente (11) so eingesetzt sind, daß sich die besagten Schwenkachsenelemente durchwegs in der gleichen Richtung erstrecken, und bei der der Fallkörper (22) für zwangläufigen Aufschlag auf eine obere Fläche eines an einer Seite der besagten Schwenkachsenelemente (11) befindlichen Bereiches der besagten geschichteten Einheit (18) geeignet ist.

9. Eine Wellenquelle nach Anspruch 8, bei der jedes der besagten Schwenkachsenelemente (11) einen säulenförmigen Körper hat, jedes der besagten Plattenelemente (16) einen ringförmigen Metallkörper hat, jedes der besagten federnden Elemente (14) einen ringförmigen federnden Körper hat, und jedes der besagten Schwenkachsenelemente (11) sich in der diametralen Richtung der besagten ringförmigen Plattenelemente (16) erstreckt.

10. Eine Wellenquelle nach Anspruch 8, bei der ein für den Fallkörper vorgesehener Abwerfmechanismus ein sich aus einem ersten Fallkörper, einer ersten Einheit zum Heben, Halten und Freigeben des Fallkörpers und einer ersten Federeinheit zum Ausüben einer abwärts gerichteten Federkraft auf den besagten ersten Fallkörper zusammensetzendes erstes Fallkörperabwerfmittel sowie ein sich aus einem zweiten Fallkörper, einer zweiten Einheit zum Heben, Halten und Freigeben des Fallkörpers und einer zweiten Federeinheit zum Ausüben einer abwärts gerichteten Federkraft auf den besagten zweiten Fallkörper zusammensetzendes zweites Fallkörperabwerfmittel umfaßt, wobei das besagte erste und das besagte zweite Fallkörperabwerfmittel oberhalb der besagten geschichteten Einheit nebeneinander vorgesehen sind.

11. Eine Wellenquelle nach Anspruch 8, bei der der besagte Fallkörper an einer Seite einer unteren Oberfläche davon einen Vorsprung aufweist und bei der oberhalb der besagten geschichteten Einheit ein Fallkörperabwerfmechanismus angeordnet ist und eine Betätigungseinheit zum Halbdrehen, Heben, Halten und Freigeben des besagten Fallkörpers sowie eine Federeinheit zum Ausüben einer abwärts gerichteten Federkraft auf den besagten Fallkörper umfaßt.

12. Eine Wellenquelle nach Anspruch 1 für Bohrlöcher ohne Wasserhaltevermögen, umfassend einen wasserdichten, ausdehnbaren Mantel (24) zum Umhüllen der besagten geschichteten Einheit sowie ein Mittel (25) zum Einspeisen einer Flüssigkeit in das Innere des besagten Mantels.

13. Eine Wellenquelle nach Anspruch 12 für Bohrlöcher ohne Wasserhaltevermögen, umfassend ein zylindrisches Gehäuse (10), wobei die besagte geschichtete Einheit in dem unteren Bereich des besagten Gehäuses vorgesehen ist, ein oberhalb der besagten geschichteten Einheit angeordnetes und innerhalb des Gehäuses senkrecht bewegliches Kolbenelement, wobei der Fallkörper zum Fallenlassen auf das besagte Kolbenelement von dem oberen Bereich des besagten Gehäuses geeignet ist und wobei der Mantel einen die besagte geschichtete Einheit umgebenden Schlauch (24) aus gummiartigem Werkstoff umfaßt, während das Mittel (25) zum Einspeisen von Flüssigkeit Wasser in das Innere des besagten Schlauches einspritzt.

14. Eine Wellenquelle nach Anspruch 13 für Bohrlöcher ohne Wasserhaltevermögen, bei der zwischen den besagten Plattenelementen Schwenkachsenelemente (11) eingesetzt sind, wobei sich die besagten Schwenkachsenelemente in durchwegs der gleichen Richtung erstrecken und bei der der Fallkörper so beschaffen ist, daß er zwangläufig auf einen oberen Bereich der besagten geschichteten Einheit zu einer Seite der besagten Schwenkachsenelemente auftrifft.