DK142859B - Apparat til frembringelse af lydbølger i vand til brug ved undersøisk seismografi. - Google Patents

Description

(11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 1*4-2859 DANMARK C|S 8 01 v 1/387 t(21) Ansøgning nr. 5474/70 (22) Indleveret den 28· Okt. 1970 (24) Løbedag 28. Okt. 1970 (44) Ansøgningen fremlagt og n fremlæggelsesskrtftet offentliggjort den 9 · I e D · 1 1

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet begæret fra den

14. nov. 1969, 876861, US

(71) BOLT ASSOCIATES INC., 205 Wilson Avenue, Norwalk, Connecticut 06854, US.

(72) Opfinder: Stephen Victor Chelminski, Valley Road R.F.D.1, West Redding, Connecticut, US.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Th. Ostenfeld Patentbureau A/s.

(54) Apparat til frembringelse af lydbølger i vand til brug ved undersøisk seismograf!.

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til frembringelse af lydbølger i vand til brug ved undersøisk seismografi og i øvrigt af den i indledningen til krav 1 angivne art.

Ved undersøisk seismografi frembringes lydbølger af seismiske kilder, der er neddykket i vandet, og lydbølgerne benyttes til undersøgelse af bundens geologiske forhold og formationer. Til dette formål neddykkes i vandet en eller flere sådanne trykgasdrevne seismiske kilder, som ofte benævnes lufthamre, og komprimeret luft, gas eller andre luftarter under tryk tilføres den neddykkede kilde og opbevares midlertidigt deri. På det ønskede tidspunkt aktiveres eller affyres den eller de seismiske kilder, og den komprimerede luftart udløses brat i det omgivende vand. På denne måde udvikles kraftige lydbølger, som er i 2 142859 stand til at trænge dybt ned i bundmaterialet, hvori de reflekteres og brydes af de forskellige lag og formationer. De reflekterede eller brudte lydbølger opfanges og gengives for tilvejebringelse af informationer og data om de geologiske forhold og formationer.

Det er også muligt at neddykke sådanne seismiske kilder i marsk, sumpe eller dyndområder, når blot disse har et tilstrækkeligt vandindhold til at apparater af den angivne art kan benyttes.

Seismiske kilder af den angivne art, fx lufthamre, der brat udlader en komprimeret luftart i vandet, frembringer først en kraftig lydimpuls med en skarpt afgrænset første eller primære trykspids. Den udladede luftart danner en ekspanderende gasboble, hvis indvendige tryk falder under boblens ekspansion, og et øjeblik efter begynder boblen at kollapse eller kontrahere på grund af trykket fra det omgivende vand. Boblen mindskes, indtil den er af relativ lille størrelse, og dens indvendige tryk er steget til en relativ høj værdi, på hvilket tidspunkt der af boblen frembringes en anden trykspids i det omgivende vand.

Disse ekspansions-kontraktionsperioder fortsætter med faldende intensitet, medens bobleenergien udspredes i det omgivende vand. Som det fremgår af beskrivelsen til USA patent nr. 3.371.740, er de sekundære trykimpulser forstyrrende for de seismiske målinger, idet de reflekteres fra bundens grænseflader på en lignende måde som den primære trykimpuls, og fremkomsten af den reflekterede sekundære trykim-pul's har tendens til at tilsløre eller skjule det ønskede resultat på de seismiske registreringsmedier. Endvidere kan den sekundære trykimpuls transmitteres direkte til registreringsmediet på samme tidspunkt som den reflekterende primære impuls fremkommer og derved yderligere bringe uorden i registreringerne.

Apparatet ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved det i den kendetegnende del af krav 1 angivne. Derved opnås en formindskelse af nævnte anden eller den sekundære trykspids, idet en efterudstrøm-ning mindsker den dannede bobles kontraktionshastighed og dermed den for de seismiske undersøgelser forstyrrende sekundære trykspids eller lydimpuls. Udstrømningen af komprimeret luftart fra det sekundære kammer ind i det primære kammer drøvles efter aktiveringen af udløsningsorganet, hvorved der tilvejebringes en efterudstrømning af komprimeret luftart ind i det primære kammer og derfra videre ud gennem udladningsporten til reducering af den sekundære trykspids, der forekommer i de lydbølger, der udsendes i vandet.

3 142859

Ved det i krav 2 angivne bliver det muligt at indstille efter-udstrømningens varighed, og i krav 3 præciseres en særlig enkel udførelsesform for apparatet.

Ved det i krav 4 angivne bliver det muligt at variere mængden af komprimeret luftart i den første bratte udstrømning i forhold til mængden af komprimeret luftart i efterudstrømningen til frembringelse af forskellige lydbølgeformer og dermed også den form, hvor den sekundære trykspids bliver relativt mindst. Dette kan fx ske ved at afmontere det sekundære kammer og påmontere et større' eller mindre sekundært kammer.

I krav 5 præciseres en udførelsesform, hvorved mængdeforholdet og efterudstrømningen kan varieres, og krav 6 præciserer en særlig enkel udførelsesform.

Krav 7 præciserer en udførelsesform, der giver yderligere mulighed for at indstille apparatet til afgivelse af en lydbølgeform, som har lavere sekundære trykspidser.

I kravene 8-11 præciseres nogle særligt enkle opbygninger af apparatet.

Apparatet ifølge opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret i forbindelse med nogle udførelseseksempler og under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et langsgående snit gennem et apparat ifølge opfindelsen i form af en lufthammer, der er ladet med komprimeret luftart, fig. 2 et langsgående snit gennem det samme apparat, efter at det er aktiveret til brat at udlade komprimeret luftart til det omgivende vand, fig. 3 ladningsbeholderen for komprimeret luftart og med det primære og sekundære kammer, hvorfra luftartmængderne kan frigives, fig. 4 en ændret udførelsesform for en gasladningsbeholder svarende til den i fig. 3 viste.

fig. 5 trykforløbet som funktion af tiden og som det fremkommer i vandet i en afstand af 15 meter fra et apparat i form af en lufthammer af hidtil kendt type under dettes aktivering, hvilket vil sige efter apparatets udladning, og som det ses, har bølgeformen af de akustiske seismiske bølger, der typisk udsendes af et sådant kendt apparat, en første trykspids og en anden trykspids ?2> fig. 6 trykforløbet som funktion af tiden, som det fremkommer i vandet i den samme afstand fra et apparat i form af en lufthammer af samme størrelse, men som anvender fremgangsmåden ifølge den forelig- . 142859 4 gende opfindelse til styring af lydbølgeformen, der fremkommer i vandet, og som det ses, er størrelsen af den anden trykspids P2 P& figuren væsentligt reduceret i forhold til P^, formen af ændret, og den viser sig tidsmæssigt relativt nærmere P^, fig. 7 trykforløbet som funktion af tiden under tilsvarende forhold som i fig. 6, men hvor lufthammerens sekundære kammer volumen er forøget, og volumenet af det primære kammer er formindsket, og hvor størrelsen af åbningen for efterudstrømningen er formindsket i forhold til den ved fremstillingen af fig. 6 benyttede størrelse. Det ses endvidere, at størrelsen af den anden trykspids P^ på figuren er yderligere reduceret i forhold til P^, at dens form er ændret mere, og at den viser sig tidsmæssigt relativt nærmere P^ end på fig. 6, og fig. 8 trykforløbet som funktion af tiden fremstillet under forhold svarende til fig. 6 og 7, men lufthammerens sekundære kammervolumen er yderligere øget, og volumenet af det primære kammer er yderligere formindsket i sammenligning med de ved fremstillingen af fig. 6 og 7 anvendte lufthamre. Ved fremstillingen af trykforløbet var størrelsen af drøvleåbningen for efterudstrømningen forøget i forhold til den i forbindelse med fig. 6 anvendte. Det ses, at sørrelsen af den anden trykspids P2 er reduceret endnu mere i forhold til P^, og at P2 er mere udfladet, hvorved der således er elimineret flere af højfrekvensbestanddelene fra den ved P^ indikerede del af bølgeformen.

I fig. 1 og 2 har den seismiske lufthammer 10 en beholder 12 for en komprimeret ladning luftart og er indrettet således, at en luftart kan rummes deri under højt tryk. Den omfatter et udløsningsorgan 14, der kan aktiveres til brat eller momentant at udløse den komprimerede luftart gennem udstødningsportene 16 til tilvejebringelse af en eksplosionslignende brat udløsning af den komprimerede luftart, når et elektrisk styresignal sendes gennem et isoleret elektrisk kabel 18 til en solenoidebetjent ventil 20. Udløsningsorganet 14 er anbragt forskydeligt i forhold til en pakning 21, der er monteret i huset 23 på lufthammeren 10.

Under drift er den seismiske lufthammer 10 neddykket, og det skal bemærkes, at de på fig. 5-8 viste skitser blev fremstillet med lufthamre, der var neddykket til en dybde på 9 meter.

For at forsyne den seismiske lufthammer 10 med luftart under højt tryk anvendes et egnet forsyningsorgan. Ved det apparatur, der vises på fig. 1 og 2 som et illustrativt eksempel af en foretrukket udførelsesform af den foreliggende opfindelse, forsynes lufthammeren 10 med komprimeret luft under tryk spændende fra 14-140 ato. Denne kom- 142859 primerede luft føres ned til lufthammeren 10 gennem et højtryksslange 22 ind i et styrekammer 24, og den komprimerede luft passerer også gennem en aksial passage 26 i udløsningsorganet 14 for at strømme ind i og udfylde ladningsbeholderen 12.

Udløsningsorganet 14 omfatter et første stempel 28, der kan ligge an mod en pakning 29 til bibeholdelse af den komprimerede luftart i ladningsbeholderen 12. Udløsningsorganet 14 omfatter ligeledes et andet stempel 30, der kan ligge an mod en pakning 31 og tjener til styring af udløsningsorganets funktion. Lufttrykket i styrekammeret 24 trykker mod stemplet 30 og tjener til at holde stemplet 28 an mod pakningen 29.

Når lufthammeren 10 aktiveres ved tilføring af et elektrisk signal til den solenoidebetjente ventil 20, vil denne ventil pludselig åbnes og tillade den komprimerede luftart at strømme fra en kanal 32 ind i en kanal 34, der fører til den flade af stemplet 30, som er modsat den, der vender ind mod styrekammeret 24. Således er holdekraften fra lufttrykket i styrekammeret 24 borte, hvilket tillader den komprimerede luftart i ladningsbeholderen 12 pludseligt at accelerere det første stempel 28 bort fra pakningen 29 som vist ved pilen på fig. 2 til pludselig åbning af udladningsportene 16.

Den bratte udløsning eller frigivelse af komprimeret luftart gennem udladningsportene i det omgivende vand 38 frembringer kraftige seismiske lydbølger 40 som vist på fig. 2. Efter lufthammerens affyring vil lufttrykket i styrekammeret 24 returnere udløsningsorganet til dets begyndelsesstilling som vist i fig. 1, således at affyringen af lufthammeren kan gentages med passende mellemrum som ønsket under en seismisk opmåling.

Den foregående beskrivelse angår lufthamre, der var kendt før den foreliggende opfindelse. Yderligere oplysninger om lufthamre kan om ønsket findes i beskrivelserne til USA patent nr. 3.249.177 og 3.379.273.

Som vist i fig. 5 giver lufthamre af kendt art seismiske lydbølger i vandet med en bølgeform, der udover den første trykspids Pj er karakteristisk ved at have en kraftig anden trykspids P^. Fig. 5 viser det øjeblikkelige tryk, der fremkommer i vandet i en afstand på 15 meter fra en lufthammer, der er neddykket i en dybde på 9 meter. Lufthammeren blev forsynet med komprimeret luft under et tryk på 140 ato., og den var forsynet med et enkelt ladningskammer med et volumen på 4,9 liter. Årsagen til frembringelsen af den anden trykspids er 142859 ο forklaret i indledningen.

For at mindske den anden trykspids og sætte opmålingsmandskabet i stand til at styre bølgeformen og udvælge og anvende den ønskede bølgeform, der skønnes mest effektiv under de forhold, som forekommer i praksis ved undersøisk seismografi, er ladningsbeholderen inddelt i mindst to kamre 41 og 42 ved hjælp af et afspærringsorgan eller vægorgan 44.

Afspærringsorganet 44 omfatter et drøvleorgan 46 i form af en med gevind forsynet rørprop 47 med sekskanthoved (vist tydeligere i fig. 3), som er skruet ind i et gevindhul 48 i afspærringsorganet 44. Denne rørprop 47 er forsynet med en åbning 49 af relativ lille diameter, og som strækker sig aksialt gennem proppen.

Det primære kammer 41 er direkte forbundet med udløsningsorganet 14, der tilvejebringer den første momentane udladning af komprimeret luftart fra det primære kammer 41 gennem udladningsåbningerne 16 ud i det omgivende vand efter aktivering af lufthammeren 10. Denne første pludselige udladning indikeres ved strømpilene 50.

Efter udløsning af komprimeret luftart fra det primære kammer 41 drøvler drøvleorganet 46 gasudstrømningen fra det sekundære kammer 42 og frembringer derved en efterudstrømning 52 af komprimeret luftart fra det sekundære kammer 42 ind i det primære kammer 41 og derfra ud gennem udladningsportene 16. Denne drøvlede og forsinkede efterudstrømning af komprimeret luftart tjener til at formindske og dæmpe den relative størrelse af den anden trykspids med en kontrollerbar og valgbar værdi som vist i fig. 6, 7 og 8 og derved redeuceres også antallet af højfrekvensbestanddele i den nær P2 værende del af bølgeformen.

For at ændre størrelsen af den anden trykspids P^ i forhold til den første trykspids P^ fjernes ladningsbeholderen 12 fra lufthammer-huset 23, og afspærringsorganet 44 forskydes til ændring af de relative volumener for det primære og sekundære kammer 41 og 42, og størrelsen af åbningen 49 ændres ligeledes. Beholderen 12 omfatter et hus 54, der er aftageligt fæstnet ved hjælp af en borttagelig låsering 56, der griber om en flange 57 på huset 54 og en flange 58 på lufthammer-huset 23. Inden i huset 54 findes flere udtagelige afstandsbøsninger 61, 62, 63 og 64 af forskellig længde, og afspærringsorganet i form af en skive 44 er udtagelig således, at den kan anbringes mellem ethvert par af disse afstandsbøsninger. Skiven 44 kan fjernes og erstattes af en tilsvarende skive med en gennemstrømnings- eller blændeåbning 49 af større eller mindre gennemstrømningsmodstand.

7 142859 Når afspærringsskiven 44 er anbragt mellem afstandsbøsningerne 61 og 62 som vist på fig. 3, siges den at være i stilling "A". Når den befinder sig mellem bøsningerne 62 og 63 er den i stilling "B", og mellem bøsningerne 63 og 64 i stilling "C". Afstanden mellem oversiden af afspærringsskiven 44 og overkanten 60 på det aftagelige hus 54 angives som "D".

På grund af, at de-benyttede tryk er relativt store og trykændringerne sker pludseligt under affyringen, er det vigtigt, at afspærringsorganet 44 og afstandsbøsninger 61, 62 fastholdes sikkert for at undgå, at de støjer. Af denne årsag skal den samlede længde af de fire bøsninger 61-64 plus tykkelsen af afspærringsskiven fremstilles nøjagtigt svarende til den indvendige længde "L" af huset 54.

I lufthammerhuset 23 findes en indvendig skulder 66 (fig. 1 og 2], der ligger an mod den øverste bøsning 61 til sikker fastholdelse af alle de til afspærringsorganet avendte dele 44 og 61-64, når huset 54 fæstnes med låseringen 56 til lufthammerhuset 23. Bøsningerne 61, 62 og 63 er af forskellig aksial længde for derved at give forskellige muligheder for justering af afstanden "D". Den indvendige diameter af huset 54 kan fx være 140 mm og dets indvendige længde L 283 mm. Når alle bøsningerne 61-64 og afspærringsvæggen 44 fjernes fra huset 54, afgrænser det på kendt vis et enkelt ladningskammer med et totalvolumen på 4,9 liter, når det er fastgjort til lufthammerhuset 23.

Fig. 6, 7 og 8 blev fremstillet med vægorganet 44 anbragt henholdsvis i stillingerne C, B og A.

Følgende skema giver oplysninger om de respektive skitser i fig.

5, 6, 7 og 8: 8 162859

Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8

Enkelt lad- To ladnings- To ladnings- To ladnings- ningskammer kamre kamre kamre 4,9 liter stilling "C" stilling "B" stilling "A"

Afstand "D" i mm - 168,3 66,7 31,8

Drøvleorganets åbningsdiameter - 17,8 10,15 20,3 i mm

Trykspids af ?1 (db) 0 - 1,7 - 3,7 -4,3 relativt

Trykforhold 1>8 3>2 3,8 7,0 *1/J:2

Tid i millisekunder fra 92 80 66 68 til P2

Det ses således, at der ved forøgelse af volumenet af det sekundære kammer 42 i forhold til volumenet af det primære kammer og ved ændring af størrelsen af drøvleåbningen opnås en bedre formindskelse og dæmpning af den sekundære trykspids P2·

Det er klart, at andre længder og andre antal af afstandsbøsninger kan benyttes til placering af afspærringsskiven 44 i enhver ønsket aksial stilling inden for huset 54. Skiven 44 kan borttages og erstattes af en tilsvarende med mindre eller større åbning. Alternativt kan rørproppen 47 skrues ud og erstattes af en anden drøvleåbning 49 med mindre eller større strømningsmodstand. Jo mindre åbning, der benyttes til en given størrelse af det sekundære kammer 42 (eller jo større volumen af det sekundære kammer til en given åbning), jo længere varer det, før efterudstrømningen 52 ophører og vice versa.

På denne måde sættes opmålingsmandskabet i stand til at styre og udvælge den ønskede bølgeform for den seismiske energi, der udsendes i vandet.

I den på fig. 4 viste udførelse er huset 54 forsynet med indvendigt gevind 70. Omkredsen af afspærringsskiven 44 er tilsvarende gevindskåret, således at den kan skrues langs den indvendige side af huset 54 ved anvendelse af en skruenøgle i nøglefatninger 72. En gevindforsynet låsering 74 med nøglefatninger 76 skrues tæt op mod skiven 44 for som låsemøtrik sikkert at låse skiven 44 i den ønskede indstilling.

Claims (3)

9 142859 Det er klart, at et andet vægorgan 44 kan anbringes i det aftagelige hus 54, fx med det første vægorgan i stillingen A og det andet vægorgan i stillingen C i fig. 3 for at tilvejebringe et primært, sekundært og tertiært kammer for tilvejebringelse af yderligere ændringer af bølgeformen. Det er også klart, at den seismiske lufthammer 10 kan forsynes mød midler til indsprøjtning og forbrænding af brændstof deri som beskrevet i de tidligere nævnte patenter for at tilvejebringe et betydeligt større tryk i ladningskammeret til affyring af lufthammeren. Følgelig omfatter ordet "lufthammer" også trykstødfrembringende apparater, der forsynes med brændstof plus komprimeret luft såvel som de, der forsynes med komprimeret luft eller andre komprimerede luftarter. Ved visse anvendelser under drift på de steder, hvor komprimeret luft kan forårsage forbrændingsskader, såsom i nærheden af en gasboring, kan komprimeret kuldioxid eller komprimeret nitrogen eller andre ikke-oxyderen-de luftarter anvendes, og ordet "lufthammer” dækker således også apparater, der forsynes med sådanne komprimerede luftarter.

1. Apparat til frembringelse af lydbølger i vand til brug ved undersøisk seismografi, og som er forsynet aed et kammer (41), der rummer en vis mængde komprimeret luftart, og hvis forbindelse til en udladningsport (16) er spærret af et aktiverbart udløsningsorgan til brat udladning af kammerets (41) indhold gennem udladningsporten ud i vandet, hvorhos kammeret (41) genopfyldes af komprimeret luftart fra en forsyningskilde, mens udløsningsorganet befinder sig i sin spærrede stilling, kendetegnet ved, at det desuden omfatter et organ til afgivelse af en yderligere mængde komprimeret luftart gennem eller nær ved udladningsporten (16) samtidig med og umiddelbart efter den bratte udladning af kammerets (41) indhold,

2. Apparat ifølge krav 1,kendetegnet ved, at organet til afgivelse af den yderligere mængde komprimeret luftart er et andet kammer (42) til komprimeret luftart, hvilket andet kammer står i direkte strømningsmæssige forbindelse med det første kammør (41) igennem et drøvleorgan (46).

3- Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at drøvle-organet har indstillelig gennemstrømningsmodstand overfor strømning til det første kammer.