EP4473345A1 - Vorrichtung und verfahren zur drucksondierung von böden - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur drucksondierung von böden

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Publication number
EP4473345A1
EP4473345A1 EP23703437.6A EP23703437A EP4473345A1 EP 4473345 A1 EP4473345 A1 EP 4473345A1 EP 23703437 A EP23703437 A EP 23703437A EP 4473345 A1 EP4473345 A1 EP 4473345A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transport
seismic
signal conductor
pressure
elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23703437.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lennart Siemann
Jan Hebig
Taisiya Pein
Aisgo WERPUP OGURO
Benedict PREU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4473345A1 publication Critical patent/EP4473345A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D1/00—Investigation of foundation soil in situ
    • E02D1/02—Investigation of foundation soil in situ before construction work
    • E02D1/022—Investigation of foundation soil in situ before construction work by investigating mechanical properties of the soil
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/162—Details
    • G01V1/166—Arrangements for coupling receivers to the ground
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/20—Arrangements of receiving elements, e.g. geophone pattern

Definitions

  • the invention is in the field of measurement technology and is used with particular advantage in soil probing.
  • CPT method cone penetration testing
  • the measured values for the indentation forces at the tip of the probe were measured in order to obtain information about the properties of the soil.
  • the measured data are sent via a data cable to a measuring station located on the earth's surface, for example in a test vehicle or on a ship. If it is planned to use transport rods to insert the probe to greater depths in the ground, which will be successively connected as the depth of penetration progresses such a data cable is routed through the cavities of the tubular rods or is already threaded through the transport rods at the beginning of the probing process.
  • a data cable is routed through the cavities of the tubular rods or is already threaded through the transport rods at the beginning of the probing process.
  • transport linkage for example the coiled-rod method and the downhole CPT method.
  • seismic investigations can be carried out at different depths with the probe stationary (seismic CPT).
  • probe stationary seismic CPT
  • impulses are introduced into the ground from the earth's surface or, in the case of offshore applications, from the seabed and the signals arriving at the seismic sensor are measured.
  • Document DE 10 2020001 184 A1 discloses a device and a method for carrying out geotechnical investigations, in which other methods for transporting measurement data from a probing device to a data processing device are used.
  • the possibility is mentioned there of establishing wireless data transport using a battery-operated transmitter integrated into a probe or, in another variant, of storing measurement data in the probe and reading them out later after the sounding process has ended and the probe has been retrieved.
  • the present invention is based on the object of improving and expanding in particular the measurement data acquisition of seismic data and their provision to a data processing device in a cone penetration tester.
  • the object is achieved according to the invention with a pressure probing device with the features of claim 1.
  • the dependent claims represent advantageous configurations of such a cone penetration test device.
  • the invention relates to a method of cone penetration test.
  • the invention relates to a pressure probing device with a probe having a probing cone and in particular a skin friction sleeve and further in particular comprising an inclinometer, and with a transport rod adapted to be connected to the probe at a first end thereof and to push it under pressure into a soil area to be probed, and with a seismic measuring device for acquiring seismic signals .
  • the object is achieved according to the invention in that the seismic measuring device has a number of seismic sensors which are integrated into a number of elements of the transport rod and are arranged at a distance from one another along the longitudinal direction of the transport rod.
  • the transport linkage can have a plurality of rods or tubes which are arranged axially one behind the other and are connected to one another. These each form elements of the transport linkage.
  • seismic Measurements are made with sensors placed at different soil depths. These measurements can be carried out for different, several or all seismic sensors at the same time or in quick succession. In this way, a large number of measurement data can be obtained which, individually or collectively, are meaningful for different soil depths. This considerably improves the acquisition of measurement data from seismic data compared to known methods, since the propulsion of the probe or the transport rods does not have to be repeatedly interrupted in order to carry out the seismic measurements.
  • the relative position of the seismic sensors to one another along the transport string is known.
  • a single depth measurement is sufficient to obtain these statements, by means of which the depth of one of the seismic sensors can be measured below the surface. the can, with the depths of the other sensors resulting from the known relative positions.
  • An inclinometer integrated into the probing device can be used to monitor and measure the angle of the feed direction, so that more precise data can be determined with regard to the sensor depth.
  • seismic sensors can be distributed over several, in particular at least two or three, elements of the transport linkage. In this way, the sensors can assume greater distances from one another, and the first measurements can also be carried out when not all the elements of the linkage have been inserted into the ground.
  • a probing cone is arranged at the tip of the pressure probing device, which considerably facilitates the penetration of the probe and the transport rods into the ground.
  • the probing cone is usually equipped with a force measuring device that enables continuous measurement of the indentation forces.
  • a skin friction sleeve can also be provided in a known manner behind the probing cone, which allows the skin friction to be measured during the propulsion movement of the probe.
  • the seismic sensors are suitable for recording different modes of seismic waves. There may be two or three, four or more than four such seismic sensors, each detecting both P and S seismic waves.
  • the pressure probing device can advantageously be designed in that the seismic sensors are arranged at least partially on the lateral surface of one or more elements of the transport rods arranged in a row in the longitudinal direction.
  • the elements of the transport linkage can be designed as tubes that have continuous bores in their wall, into which seismic sensors are inserted in such a way that they do not protrude beyond the tube wall in the radial direction.
  • the sensors can be arranged slightly behind the enveloping lateral surface of the elements of the transport linkage, and it can advantageously be provided that the surface of the seismic sensors on the outer lateral surface of the element(s) of the transport linkage are covered with a protective layer, in particular made of a plastic , further consists in particular of an epoxy resin. Such a coating can also be provided if the surface of the seismic sensors is flush with the outer surface of the elements of the transport rod assembly.
  • the layer should then be designed in such a way that it generates no or only minimal additional frictional resistance when the linkage is advanced.
  • the pressure probing device can also be advantageously configured in that each of the seismic sensors is connected to a signal conductor for forwarding measurement signals to a second end of the transport rod assembly opposite the first end on the probe side or the probing tip and/or that each seismic sensor has a device for digitizing and /or modulation of signals for transport over the signal conductor.
  • the measurement signals from the seismic sensors are to be routed to the second end of the transport rods, opposite the probing tip, on which a data processing device is provided.
  • individual signal conductors can be provided for the individual seismic sensors, but signal conductors from a plurality of seismic sensors can also be used jointly for the forwarding of signals from a plurality of seismic sensors.
  • a line can be provided as the signal conductor, which line contains a plurality of individual conductors, one of which carries the signals of a seismic sensor.
  • a conductor can also be provided, which provides a voltage supply for the seismic sensors.
  • the signal conductor is integrated into an element of the transport linkage and is arranged in particular in a central cavity or in a wall of the element.
  • the individual signal conductors can, for example, be inserted into the transport rods, which have not yet been assembled, before the cone penetration test is carried out. be delt and/or already connected to the individual elements of the transport linkage.
  • the signal conductors can be placed, for example, in an inner cavity of the tubular elements of the transport linkage or attached to an inner wall of the elements or to the outside of the elements.
  • the signal conductor can be composed of signal conductor sections that are detachably connected to one another at the ends of the elements of the transport rod, the signal conductor sections ending in particular at plug-in connection elements that are connected to one end of an element of the transport rod.
  • the plug-in connection elements can be multi-pole in order to establish a connection for each seismic sensor and the signal conductor assigned to it.
  • the signal conductor sections can generally be connected to one another, for example by means of plug or screw connections or also by bayonet locks.
  • a single signal conductor subdivided in the longitudinal direction can also be used, to which one or more seismic sensors are connected in each case.
  • each of the seismic sensors can also be assigned its own signal conductor.
  • several signal conductors can also run parallel to one another through the transport linkage. Provision can advantageously be made for the signal conductor sections to be formed by one or more electrically insulated electrical conductors and/or by optical fibers. Accordingly, the individual signal conductor sections can be plugged together, for example, in the context of plug connections or also soldered, glued or welded in an electrically conductive manner. Screw connections are also advantageously conceivable. If the signal conductor is an optical fiber, connections that can easily be produced are also known for optical fibers.
  • the seismic sensors can already be installed and connected to a signal conductor.
  • a seismic sensor can be identified by its associated conductor pole.
  • each sensor can be assigned an identification code for transmission.
  • the measurement signals can be transmitted, for example, in the form of voltage signals via the signal conductor or conductors, with the data being transmitted, for example, by voltage levels, but also by AC voltage signals and coded by frequencies or in digitized form.
  • each of the seismic sensors, but also the probe or the probing cone and the skin friction sleeve as well as the pore pressure measuring device can have analog/digital converters in order to digitize the measurement data.
  • the data from the individual seismic sensors are encoded and transmitted digitally or transmitted one after the other using a time-division multiplex method, only a few signal conductors, in extreme cases only a single signal conductor, can be provided along the transport linkage for data transport.
  • a coding of the signals ensures that each individual signal can be assigned to a sensor and thus also to a measurement location.
  • the signal conductor sections are formed by the elements of the transport linkage.
  • electrical signals for example in the form of digital voltage signals, can be transmitted through the elements of the transport linkage.
  • the invention relates not only to a cone-type probing device of the type described above, but also to a method for probing using such a cone-type probing device, the signal conductor being composed of signal conductor sections and elements of the transport rods being successively joined together with increasing penetration depth of the probe, and in each case also signal conductor sections being connected to one another get connected.
  • the invention relates to a method for using a pressure probing device of the type described above, in which, after the introduction of at least part of the transport rod, the penetrating movement of the probe is interrupted and one or more seismic measurements are taken using several seismic measurements spaced apart from one another in the longitudinal direction of the transport rod pressure sensors is/are carried out.
  • FIG. 1 shows a probe with an element of a transport linkage, schematically in longitudinal section
  • Fig. 4 two elements of the transport linkage before assembly
  • Fig. 5 an element of the transport linkage with a seismic sensor
  • FIG. 6 shows an offshore application as an application example.
  • FIG. 1 shows, in a partially longitudinal section, a probe with a probing cone 1, a skin friction sleeve 2 and a filter element 3 for measuring the pore pressure, which together form a probe which is pressed into a soil to be examined.
  • the probe is connected to a first element 4 of a transport linkage, which is designed as a tube.
  • the seismic sensors/geophones 9, 10, 11 are arranged in the wall of the pipe in such a way that they are fastened in through openings in the pipe wall.
  • 13 denotes an insulating layer which covers and embeds the seismic sensors.
  • a signal conductor 15 is arranged inside the cavity 19 of the element 4 of the transport linkage.
  • the signal conductor 15 is divided in the longitudinal direction according to the lengths of the elements 4 of the transport linkage, and the individual signal conductor sections are connected to one another by means of detachable connections, as will be explained in more detail below.
  • a screw thread 22 is shown in FIG. 1, which is used to join the signal conductor sections designed as coaxial conductors.
  • Figure 2 shows schematically a probe 1, 2 and a transport linkage consisting of two elements 4, 5 with a first end 7, which is connected to the probe 1, 2, and a second end 8, opposite the probing tip, which is used during the measuring process of the earth's surface or ground surface is close, in particular protrudes from the top of the ground.
  • a signal conductor 15 runs in the longitudinal direction, which is joined by means of connector elements 20, 21 in each case at the transition between two elements 4, 5 of the transport linkage.
  • the signal conductor 15 can be designed, for example, as a single insulated electrical conductor, as a bundle of conductors or as an optical fiber.
  • a configuration as a waveguide, for example in the form of a coaxial cable, is also conceivable.
  • Various seismic sensors 9, 10, 11 are connected to the signal conductor 15 and are distributed over various elements 4, 5 of the transport linkage along the longitudinal direction of the transport linkage.
  • One or more seismic sensors 9, 10, 11 can be provided in a single element 4, 5.
  • the signal conductor can be formed by a signal bus, which can be single-pole or multi-pole and which can contain a power supply that is used to operate communication modules of the individual seismic sensors, for example in the form of analog/digital converters, encoders or frequency converters .
  • FIG. 3 shows two examples of the integration of seismic sensors into the wall of an element 6 of the transport rods.
  • a seismic sensor 10 is arranged in a continuous opening in the wall of the tubular element 6 in such a way that its surface is retracted behind the lateral surface of the tube. The resulting cavity is filled with a cover layer 13, for example made of an epoxy resin, so that the sensor 10 is protected against environmental influences.
  • a second seismic sensor 11 is arranged in an opening of the element 6 in such a way that it is flush with the peripheral surface of the element 6 .
  • a cover layer 14 for example made of an epoxy resin, is additionally provided, which covers both the seismic sensor 11 and adjacent parts of the tubular element 6 .
  • the layer 14 should be sized so that it does not impede penetration of the transport rod into the ground, but be thick and strong enough to protect the seismic pressure sensors.
  • the two sensors 10, 11 are each connected to the signal conductor 15 in the cavity 19 of the element 6.
  • Figure 4 shows an embodiment in which a signal conductor consists of two or more signal conductor sections 16, 17 which are firmly connected to the wall of the elements 4, 5 of the transport linkage and arranged, for example, in a groove on the inside of the pipe wall of the elements 4, 5 or fixed to the inside of the wall of the elements 4, 5 by gluing.
  • the signal conductor sections 16, 17 each end in connector elements 20, 21, which are also firmly connected to the elements 4, 5 of the transport linkage at the other ends, so that when the elements 4, 5 of the transport linkage are connected to one another, the connector elements 20, 21 also reliably connect can be put together.
  • a signal conductor can also be maintained in the center of the cavity of the elements of the transport linkage, for example by spacers to the zy- cylindrical inner wall. This prevents damage to the signal conductor when connecting two adjacent elements of the transport linkage.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the invention in which a seismic pressure sensor 12 is arranged in an electrically insulated manner in the wall of the element 5 of the transport linkage.
  • An electrical insulation layer 23 is provided, which both electrically insulates the sensor 12 from the metal tube of the element 5 and provides mechanical protection on the outer surface of the element of the transport rods.
  • the sensor 12 also has a converter 18 which converts the measurement signals into digital signals and which, by means of a supply line 24, transmits the electrical signals thus formed into the element 5 of the transport linkage, more precisely into the wall of the element 5.
  • the elements 4, 5, 6 of the transport linkage can thus function as a signal conductor after assembly. If, for example, the measurement signals are converted into a high-frequency digital signal, these signals can be transported via the transport rods without interference. Using a time-division multiplex solution, the signals from different seismic sensors can also be transmitted separately from one another.
  • FIG. 6 shows an offshore application of a probe with a multi-part transport rod system, a transmitter 28, 29 for seismic impulses being able to be provided on a ship 26 and/or on a foundation 27 on the seabed.
  • the transport linkage 30 is shown enlarged in the right part of the figure. It comprises a probing cone and elements 30, 31, 32 of the transport linkage, it being possible for one or more sensors 9a, 10a, 11a to be provided in each of several elements 31, 32 of the transport linkage.
  • the sensors are arranged inside the elements of the transport linkage and can be arranged and fastened on the inside of the lateral surface of the elements, but also, as can be seen from the cross-sectional view for sensor 11a, further radially inward, for example also in the center on the central axis of the transport linkage, the sensors then, for example, via holding elements, in particular Webs or sockets 25 can be attached to the inner lateral surface of the elements of the transport linkage.
  • the attachment can be designed in such a way that a suitable acoustic coupling takes place.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drucksondiervorrichtung mit einer Sonde, die einen Sondierkonus (1) und insbesondere eine Mantelreibungshülse (2) sowie ein Inklinometer und einen Porendruckmesser aufweist, und mit einem Transportgestänge (4, 5, 6), das dazu eingerichtet ist, an einem ersten seiner Enden (7) mit der Sonde verbunden zu werden und diese unter Druckanwendung in einen zu sondierenden Bodenbereich zu drücken, sowie mit einer seismischen Messeinrichtung (9, 10, 11, 12) zur Erfassung von seismischen Signalen. Die Aufgabe, die seismischen Messdaten über mehrere Kanäle zu erfassen, wird dabei dadurch gelöst, dass die seismische Messeinrichtung mehrere seismische Sensoren (z. B. Drucksensoren, Accelerometer, Geophone) (9, 10,11, 12) aufweist, die in ein oder mehrere Elemente (4, 5, 6) des Transportgestänges integriert und entlang der Längsrichtung des Transportgestänges mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die verschiedenen seismischen Drucksensoren können ihre Messdaten in einen gemeinsamen Signalleiter (15) einspeisen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Drucksondierung von Böden
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik und wird mit besonderem Vorteil bei der Sondierung von Böden eingesetzt.
Bei geotechnischen Untersuchungen, beispielsweise von Böden im Onshore- und Offshore-Bereich, wird häufig die so genannte Drucksondierung (Cone- Penetration-Testing, CPT-Verfahren) eingesetzt, bei dem eine Sonde in einen Untergrund gedrückt wird. Die Sonde weist üblicherweise an ihrer Spitze eine Kegelform auf, die einen 60°-Konus umfasst, und es werden während des
Eindrückens die Messwerte für die Eindrückkräfte an der Spitze der Sonde gemessen, um Aufschluss über Eigenschaften des Bodens zu erhalten.
Üblicherweise werden die gemessenen Daten mittels eines Datenkabels an eine Messstation gesendet, die sich an der Erdoberfläche, beispielsweise in einem Testfahrzeug oder auf einem Schiff, befindet. Falls es vorgesehen ist, zum Einbringen der Sonde in größere Bodentiefen Transportgestänge zu verwenden, die sukzessive je nach dem Fortschritt der Eindringtiefe zusammengefügt werden, wird ein derartiges Datenkabel durch die Hohlräume der rohrförmigen Gestänge geführt beziehungsweise ist bereits zu Beginn des Sondiervorgangs durch das Transportgestänge gefädelt. Zudem gibt es für das Transportgestänge als Alternativen beispielsweise das Coiled-Rod-Verfahren sowie das Downhole-CPT-Verfahren.
Wird die Sondierapparatur um einen seismischen Drucksensor beziehungsweise ein Geophon ergänzt, das ebenfalls mit in den Boden eingebracht wird, können damit nacheinander in verschiedenen Tiefen jeweils bei ruhender Sonde seismische Untersuchungen durchgeführt werden (seismische CPT). Dabei werden Impulse von der Erdoberfläche oder bei Offshore-Anwendungen vom Meeresboden aus in den Boden eingebracht und die an dem seismischen Sensor ankommenden Signale gemessen.
Aus der Druckschrift DE 10 2020001 184 Al sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von geotechnischen Untersuchungen bekannt, bei dem andere Verfahren zum Transport von Messdaten von einer Sondierungsvorrichtung zu einer Datenverarbeitungseinrichtung eingesetzt werden. Beispielsweise ist dort die Möglichkeit erwähnt, einen kabellosen Datentransport mittels eines in eine Sonde integrierten batteriebetriebenen Senders zu etablieren oder in einer anderen Variante Messdaten in der Sonde zu speichern und diese später, nach Beendigung des Sondierungsvorgangs und Einholen der Sonde, auszulesen.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, bei einer Drucksondiervorrichtung insbesondere die Messdatenerfassung von seismischen Daten und ihre Bereitstellung an eine Datenverarbeitungseinrichtung zu verbessern und zu erweitern.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Drucksondiervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Drucksondiervorrichtung dar. Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren der Drucksondierung.
Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Drucksondiervorrichtung mit einer Sonde, die einen Sondierkonus und insbesondere eine Mantelreibungshülse und weiter insbesondere ein Inklinometer aufweist, und mit einem Transportgestänge, das dazu eingerichtet ist, an einem ersten seiner Enden mit der Sonde verbunden zu werden und diese unter Druckanwendung in einen zu sondierenden Bodenbereich zu drücken, sowie mit einer seismischen Messeinrichtung zur Erfassung von seismischen Signalen. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die seismische Messeinrichtung mehrere seismische Sensoren aufweist, die in mehrere Elemente des Transportgestänges integriert und entlang der Längsrichtung des Transportgestänges mit Abstand voneinander angeordnet sind.
Das Transportgestänge kann eine Mehrzahl von Stangen oder Rohren aufweisen, die axial hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Diese bilden jeweils Elemente des Transportgestänges.
Dadurch, dass mehrere seismische Sensoren, beispielsweise Geophone, Multikomponentensensoren, Accelerometer entlang des Transportgestänges vorgesehen sind und nach dem Einbringen in den Boden zur Messung gleichzeitig zur Verfügung stehen, können in einer bestimmten Position des Transportgestänges, beispielsweise bei einer Unterbrechung des Vortriebs der Sonde, seismische Messungen mit Sensoren vorgenommen werden, die in unterschiedlichen Bodentiefen angeordnet sind. Diese Messungen können für verschiedene, mehrere oder alle seismischen Sensoren gleichzeitig oder kurz nacheinander durchgeführt werden. Dadurch kann eine Vielzahl von Messdaten gewonnen werden, die einzeln oder gemeinsam für verschiedene Bodentiefen aussagekräftig sind. Damit wird die Messdatengewinnung von seismischen Daten gegenüber bekannten Verfahren erheblich verbessert, da der Vortrieb der Sonde beziehungsweise des Transportgestänges nicht wiederholt unterbrochen werden muss, um die seismischen Messungen durchzuführen. Außerdem ist die relative Position der seismischen Sensoren zueinander entlang des Transportgestänges bekannt. Dadurch, dass seismische Sensoren auf mehrere Elemente des Transportgestänges verteilt sind, können ausreichende Abstände zwischen den Sensoren erzeugt werden, die eine ausreichende Qualität der Messungen garantieren. Zur Gewinnung dieser Aussagen reicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine einzige Tiefenmessung, mittels deren die Tiefe eines der seismischen Sensoren unter der Oberfläche gemessen wer- den kann, wobei sich die Tiefen der übrigen Sensoren aus den bekannten Relativpositionen ergeben. Durch ein in die Sondiervorrichtung integriertes Inklinometer kann der Winkel der Vorschubrichtung überwacht und gemessen werden, so dass bezüglich der Sensortiefe genauere Daten ermittelt werden können.
Mehrere seismische Sensoren können auf mehrere, insbesondere wenigstens zwei oder drei Elemente des Transportgestänges verteilt sein. So können die Sensoren größere Abstände untereinander annehmen, und es können erste Messungen auch schon durchgeführt werden, wenn noch nicht alle Elemente des Gestänges in den Boden eingebracht sind.
An der Spitze der Drucksondiervorrichtung ist ein Sondierkonus angeordnet, der das Eindringen der Sonde und des Transportgestänges in den Boden erheblich erleichtert. Der Sondierkonus ist üblicherweise mit einer Kraftmesseinrichtung versehen, die eine laufende Messung der Eindrückkräfte ermöglicht. Zudem kann ebenfalls in bekannter Weise eine Mantelreibungshülse hinter dem Sondierkonus vorgesehen sein, die eine Messung der Mantelreibung während der Vortriebsbewegung der Sonde erlaubt. Außerdem ist es auch möglich, eine Messeinrichtung für den Porendruck von Wasser in der Nähe des Sondierkonus, typischerweise zwischen dem Sondierkonus und der Mantelreibungshülse, vorzusehen, um den Porendruck messen zu können, sowie ein Inklinometer. Die seismischen Sensoren sind zur Aufnahme von verschiedenen Moden seismischer Wellen geeignet. Es können zwei oder drei, vier oder mehr als vier solcher seismischen Sensoren vorgesehen sein, die jeweils sowohl seismische P- als auch S-Wellen erfassen.
Die Drucksondiervorrichtung kann vorteilhaft dadurch ausgestaltet sein, dass die seismischen Sensoren wenigstens teilweise an der Mantelfläche eines cider mehrerer in Längsrichtung aneinandergereihter Elemente des Transportgestänges angeordnet sind. Zu diesem Zweck können die Elemente des Transportgestänges als Rohre ausgebildet sein, die an ihrer Wandung durchgehende Bohrungen aufweisen, in die jeweils seismische Sensoren derart eingesteckt sind, dass sie über die Rohrwandung in radialer Richtung nicht hinausragen. Vorteilhafterweise können die Sensoren leicht hinter der einhüllenden Mantelfläche der Elemente des Transportgestänges angeordnet sein, und es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Oberfläche der seismischen Sensoren an der äußeren Mantelfläche des/der Elemente des Transportgestänges mit einer Schutzschicht bedeckt sind, die insbesondere aus einem Kunststoff, weiter insbesondere aus einem Epoxidharz besteht. Eine solche Beschichtung kann auch vorgesehen sein, wenn die Oberfläche der seismischen Sensoren mit der Mantelfläche der Elemente des Transportgestänges abschließt. Die Schicht sollte dann so ausgebildet sein, dass sie beim Vortrieb des Gestänges keinen oder nur einen minimalen zusätzlichen Reibungswiderstand erzeugt.
Die Drucksondiervorrichtung kann weiter vorteilhaft dadurch ausgestaltet sein, dass jeder der seismischen Sensoren mit einem Signalleiter zur Weiterleitung von Messsignalen zu einem dem sondenseitigen, ersten Ende beziehungsweise der Sondierspitze entgegengesetzten zweiten Ende des Transportgestänges verbunden ist und/oder dass jeder seismische Sensor eine Einrichtung zur Digitalisierung und/oder Modulierung von Signalen für den Transport über den Signalleiter aufweist.
Die Messsignale der seismischen Sensoren sollen zu dem der Sondierspitze entgegengesetzten zweiten Ende des Transportgestänges geleitet werden, an dem eine Datenverarbeitungseinrichtung bereitgestellt ist. Hierzu können einzelne Signalleiter für die einzelnen seismischen Sensoren vorgesehen sein, jedoch können auch für die Weiterleitung von Signalen mehrerer seismischer Sensoren Signalleiter von mehreren seismischen Sensoren gemeinsam genutzt werden. Es kann beispielsweise eine Leitung als Signalleiter vorgesehen sein, die mehrere Einzelleiter enthält, von denen jeweils einer die Signale eines seismischen Sensors führt. Es kann dabei auch ein Leiter vorgesehen sein, der eine Spannungsversorgung für die seismischen Sensoren liefert.
Es kann hierzu beispielsweise vorgesehen sein, dass der Signalleiter jeweils in ein Element des Transportgestänges integriert und insbesondere in einem zentrischen Hohlraum oder in einer Wand des Elements angeordnet ist. Die einzelnen Signalleiter können beispielsweise vor dem Durchführen der Drucksondierung in das noch nicht zusammengesetzte Transportgestänge eingefä- delt sein und/oder bereits mit den einzelnen Elementen des Transportgestänges verbunden sein. Hierzu können die Signalleiter beispielsweise in einen inneren Hohlraum der rohrförmigen Elemente des Transportgestänges eingelegt oder an einer Innenwand der Elemente oder auch außen an den Elementen befestigt sein.
Es kann besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Signalleiter aus Signalleiterabschnitten zusammengesetzt ist, die jeweils an den Enden der Elemente des Transportgestänges lösbar miteinander verbunden sind, wobei die Signalleiterabschnitte insbesondere jeweils an Steckverbindungselementen enden, die mit je einem Ende eines Elements des Transportgestänges verbunden sind. Die Steckverbindungselemente können mehrpolig ausgebildet sein, um für jeden seismischen Sensor und den ihm zugeordneten Signalleiter eine Verbindung herzustellen. Die Signalleiterabschnitte können allgemein beispielsweise mittels Steck- oder Schraubverbindungen oder auch durch Bajonettverschlüsse miteinander verbunden werden. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit, einen langen Signalleiter vor dem Einbringen des Transportgestänges in die verwendeten Elemente des Transportgestänges einzubringen, und der oder die Signalleiter werden beim Vortrieb der Drucksondiervorrichtung nacheinander jeweils mit den bereits in den Boden eingebrachten Teilen des Signalleiters / der Signalleiter verbunden, ebenso wie die einzelnen Elemente des Transportgestänges nacheinander angefügt werden. Damit muss beispielsweise die maximale Messtiefe für die Auswahl des Signalleiters nicht im Vorhinein festgelegt werden, sondern die Länge des Signalleiters insgesamt kann je nach Entwicklung des Messvorhabens angepasst werden. Es werden dadurch keine überlangen Datenkabel verwendet, und einzelne Abschnitte können bei einem Defekt einfach ersetzt werden.
Anstelle mehrerer paralleler Signalleiterabschnitte kann auch ein einzelner, in Längsrichtung unterteilter Signalleiter verwendet werden, an den dann jeweils ein oder mehrere seismische Sensoren angeschlossen sind. Es kann aber auch jedem der seismischen Sensoren ein eigener Signalleiter zugeordnet sein. In diesem Fall können auch mehrere Signalleiter parallel zueinander durch das Transportgestänge verlaufen. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Signalleiterabschnitte durch einen oder mehrere elektrisch isolierte elektrische Leiter und/oder durch Lichtleiter gebildet sind. Demgemäß können die einzelnen Signalleiterabschnitte beispielsweise im Rahmen von Steckverbindungen zusammengesteckt oder auch verlötet, elektrisch leitend verklebt oder verschweißt werden. Auch Schraubverbindungen sind vorteilhaft denkbar. Handelt es sich bei dem Signalleiter um Lichtleiter, so sind auch für Lichtleiter komfortabel herstellbare Verbindungen bekannt.
Bei der Herstellung der Elemente des Transportgestänges können bereits die seismischen Sensoren eingebaut und mit einem Signalleiter verbunden werden. Bei einem mehrpoligen Signalleiter kann ein seismischer Sensor durch den ihm zugeordneten Leiterpol identifiziert werden. Bei einer Bus-Lösung kann jedem Sensor zum Senden ein Identifizierungscode zugeordnet werden.
Die Messsignale können beispielsweise in der Form von Spannungssignalen über den oder die Signalleiter übertragen werden, wobei die Daten beispielsweise durch Spannungsniveaus, jedoch auch durch Wechselspannungssignale und kodiert durch Frequenzen oder in digitalisierter Form übertragen werden können. Zu diesem Zweck kann jeder der seismischen Sensoren, jedoch auch die Sonde beziehungsweise der Sondierkonus und die Mantelreibungshülse ebenso wie die Porendruckmesseinrichtung Analog/Digital-Wandler aufweisen, um die Messdaten zu digitalisieren. Werden die Daten der einzelnen seismischen Sensoren kodiert und digital übertragen oder in einem Zeitmultiplex- verfahren nacheinander übertragen, können zum Datentransport auch nur wenige Signalleiter, im Extremfall nur ein einziger Signalleiter, entlang des Transportgestänges vorgesehen sein. Eine Kodierung der Signale sorgt dafür, dass den einzelnen Signalen je ein Sensor und damit auch ein Messort zugeordnet werden kann.
Es kann in einer besonderen Ausbildung der Erfindung auch beispielsweise vorgesehen sein, dass die Signalleiterabschnitte durch die Elemente des Transportgestänges gebildet sind. In diesem Fall können durch die Elemente des Transportgestänges elektrische Signale, beispielsweise in Form von digitalen Spannungssignalen, übertragen werden. Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Drucksondiervorrichtung der oben beschriebenen Art auch auf ein Verfahren zur Sondierung unter Verwendung einer solchen Drucksondiervorrichtung, wobei der Signalleiter aus Signalleiterabschnitten zusammengesetzt ist und wobei mit zunehmender Eindringtiefe der Sonde nacheinander Elemente des Transportgestänges zusammengefügt werden und dabei jeweils auch Signalleiterabschnitte miteinander verbunden werden.
Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Verwendung einer Drucksondiervorrichtung der oben beschriebenen Art, bei dem nach dem Einbringen wenigstens eines Teils des Transportgestänges die Eindringbewegung der Sonde unterbrochen und eine oder mehrere seismische Messungen unter Verwendung von mehreren, in Längsrichtung des Transportgestänges voneinander beabstandeten seismischen Drucksensoren durchgeführt wird/wer- den.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren dargestellt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Sonde mit einem Element eines Transportgestänges schematisch im Längsschnitt,
Fig. 2 schematisch eine Sonde mit mehreren Elementen des Transportgestänges vor dem Zusammensetzen,
Fig. 3 im Längsschnitt ein Element des Transportgestänges mit zwei seismischen Sensoren,
Fig. 4 zwei Elemente des Transportgestänges vor dem Zusammenfügen,
Fig. 5 ein Element des Transportgestänges mit einem seismischen Sensor, sowie
Fig. 6 als Anwendungsbeispiel eine Offshore-Anwendung. Figur 1 zeigt in einer teilweise längsgeschnittenen Darstellung eine Sonde mit einem Sondierkonus 1, einer Mantelreibungshülse 2 sowie einem Filterelement 3 zur Porendruckmessung, die gemeinsam eine Sonde bilden, die in einen zu untersuchenden Boden eingedrückt wird. Die Sonde ist mit einem ersten Element 4 eines Transportgestänges verbunden, das als Rohr ausgebildet ist. In der Wandung des Rohres sind die seismischen Sensoren/Geophone 9, 10, 11 angeordnet, derart, dass sie in durchgehenden Öffnungen der Rohrwand befestigt sind. Mit 13 ist eine isolierende Schicht bezeichnet, die die seismischen Sensoren abdeckt und einbettet. Im Inneren des Hohlraums 19 des Elements 4 des Transportgestänges ist ein Signalleiter 15 angeordnet. Der Signalleiter 15 ist in Längsrichtung entsprechend den Längen der Elemente 4 des Transportgestänges geteilt, und die einzelnen Signalleiterabschnitte sind, wie weiter unten noch näher erläutert wird, mittels lösbarer Verbindungen miteinander verbunden. In Figur 1 ist ein Schraubgewinde 22 dargestellt, das dem Zusammenfügen der als Koaxialleiter ausgebildeten Signalleiterabschnitte dient.
Figur 2 zeigt schematisch eine Sonde 1, 2 und ein aus zwei Elementen 4, 5 bestehendes Transportgestänge mit einem ersten Ende 7, das mit der Sonde 1, 2 verbunden wird, sowie einem zweiten, der Sondierspitze entgegengesetzten Ende 8, das beim Messvorgang der Erdoberfläche beziehungsweise Bodenoberfläche nah ist, insbesondere oben aus dem Erdboden herausragt. Innerhalb der Elemente 4, 5 des Transportgestänges verläuft in Längsrichtung ein Signalleiter 15, der mittels Steckverbinderelementen 20, 21 jeweils am Übergang zwischen zwei Elementen 4, 5 des Transportgestänges zusammengefügt ist. Der Signalleiter 15 kann beispielsweise als einzelner isolierter elektrischer Leiter, als Leiterbündel oder auch als Lichtleiter ausgebildet sein. Auch eine Ausbildung als Wellenleiter, beispielsweise in Form eines Koaxialkabels, ist denkbar.
An den Signalleiter 15 sind verschiedene seismische Sensoren 9, 10, 11 angeschlossen, die entlang der Längsrichtung des Transportgestänges auf verschiedene Elemente 4, 5 des Transportgestänges verteilt sind. Dabei können in einem einzelnen Element 4, 5 ein oder mehrere seismische Sensoren 9, 10, 11 vorgesehen sein. Der Signalleiter kann durch einen Signalbus gebildet sein, der ein- oder auch mehrpolig ausgebildet sein kann und der eine Spannungsversorgung enthalten kann, die dem Betrieb von Kommunikationsmodulen der einzelnen seismischen Sensoren, beispielsweise in Form von Analog/Digital-Wandlern, Kodierern oder Frequenzumsetzern, dient.
Figur 3 zeigt zwei Beispiele für die Integration von seismischen Sensoren in die Wand eines Elements 6 des Transportgestänges. Ein seismischer Sensor 10 ist in einer durchgehenden Öffnung in der Wandung des rohrförmigen Elements 6 derart angeordnet, dass seine Oberfläche hinter die Mantelfläche des Rohres zurückgezogen ist. Der entstehende Hohlraum ist mit einer Deckschicht 13, beispielsweise aus einem Epoxidharz, gefüllt, so dass der Sensor 10 gegen Umwelteinflüsse geschützt ist. Ein zweiter seismischer Sensor 11 ist so in einer Öffnung des Elements 6 angeordnet, dass er mit der Umfangsfläche des Elements 6 abschließt. Es ist zusätzlich eine Deckschicht 14, beispielsweise aus einem Epoxidharz, vorgesehen, die sowohl den seismischen Sensor 11 als auch benachbarte Teile des rohrförmigen Elements 6 abdeckt. Die Schicht 14 sollte so bemessen sein, dass sie das Eindringen des Transportgestänges in den Boden nicht behindert, jedoch so dick und stabil, dass sie die seismischen Drucksensoren schützt. Die beiden Sensoren 10, 11 sind jeweils mit dem Signalleiter 15 im Hohlraum 19 des Elements 6 verbunden.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Signalleiter aus zwei oder mehr Signalleiterabschnitten 16, 17 besteht, die fest mit der Wand der Elemente 4, 5 des Transportgestänges verbunden sind und beispielsweise in einer Nut an der Innenseite der Rohrwand der Elemente 4, 5 angeordnet oder an der Innenseite der Wand der Elemente 4, 5 durch Kleben befestigt sind. Die Signalleiterabschnitte 16, 17 enden jeweils in Steckverbinderelementen 20, 21, die ebenfalls mit den Elementen 4, 5 des Transportgestänges jeweils anderen Enden fest verbunden sind, so dass mit dem Verbinden der Elemente 4, 5 des Transportgestänges miteinander die Steckverbinderelemente 20, 21 ebenfalls zuverlässig zusammengefügt werden können.
Ein Signalleiter kann auch in der Mitte des Hohlraums der Elemente des Transportgestänges gehalten werden, beispielsweise durch Abstandshalter zur zy- lindrischen Innenwand. Dadurch wird bei der Verbindung von zwei benachbarten Elementen des Transportgestänges die Beschädigung des Signalleiters verhindert.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der in der Wand des Elements 5 des Transportgestänges ein seismischer Drucksensor 12 elektrisch isoliert angeordnet ist. Es ist eine elektrische Isolationsschicht 23 vorgesehen, die sowohl eine elektrische Isolierung des Sensors 12 gegenüber dem metallischen Rohr des Elements 5 als auch einen mechanischen Schutz an der Mantelfläche des Elements des Transportgestänges bewirkt.
Der Sensor 12 weist zudem einen Wandler 18 auf, der die Messsignale in digitale Signale wandelt und der mittels einer Zuleitung 24 die so gebildeten elektrischen Signale in das Element 5 des Transportgestänges, genauer in die Wand des Elements 5, einleitet. Die Elemente 4, 5, 6 des Transportgestänges können somit nach dem Zusammenfügen insgesamt als Signalleiter fungieren. Wenn beispielsweise die Messsignale in ein hochfrequentes digitales Signal umgewandelt werden, so können diese Signale störungsfrei über das Transportgestänge transportiert werden. Mittels einer Zeitmultiplexlösung können somit auch die Signale verschiedener seismischer Sensoren gesondert voneinander übertragen werden.
Figur 6 zeigt eine Offshore- Anwendung einer Sonde mit einem mehrteiligen Transportgestänge, wobei an einem Schiff 26 und/oder an einem Fundament 27 am Meeresgrund ein Sender 28, 29 für seismische Impulse vorgesehen sein kann. Das Transportgestänge 30 ist im rechten Teil der Figur vergrößert dargestellt. Es umfasst einen Sondierkonus und Elemente 30, 31, 32 des Transportgestänges, wobei in mehreren Elementen 31, 32 des Transportgestänges jeweils ein oder mehrere Sensoren 9a, 10a, 11a vorgesehen sein können.
Die Sensoren sind in diesem Ausführungsbeispiel im Inneren der Elemente des Transportgestänges angeordnet und können innen an der Mantelfläche der Elemente angeordnet und befestigt sein, jedoch auch, wie aus der Querschnittsdarstellung für den Sensor 11a ersichtlich, weiter radial innen, beispielsweise auch im Zentrum auf der Mittelachse des Transportgestänges, wobei die Sensoren dann beispielsweise über Halteelemente, insbesondere Stege oder Stutzen 25 an der inneren Mantelfläche der Elemente des Transportgestänges befestigt sein können. Die Befestigung kann dabei derart gestaltet werden, dass eine geeignete akkustische Kopplung erfolgt.

Claims

Patentansprüche Drucksondiervorrichtung mit einer Sonde, die einen Sondierkonus (1) und insbesondere eine Mantelreibungshülse (2) und weiter insbesondere ein Inklinometer aufweist, und mit einem Transportgestänge (4, 5, 6), das dazu eingerichtet ist, an einem ersten seiner Enden (7) mit der Sonde verbunden zu werden und diese unter Druckanwendung in einen zu sondierenden Bodenbereich zu drücken, sowie mit einer seismischen Messeinrichtung (9, 9a, 10, 10a, 11, 11a, 12) zur Erfassung von seismischen Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Messeinrichtung mehrere seismische Sensoren (9, 9a, 10, 10a, 11, 11a, 12) aufweist, die in mehrere Elemente (4, 5, 6) des Transportgestänges integriert und entlang der Längsrichtung des Transportgestänges mit Abstand voneinander angeordnet sind. Drucksondiervorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die seismischen Sensoren (9, 9a, 10, 10a, 11, 11a, 12) wenigstens teilweise an der Mantelfläche eines oder mehrerer in Längsrichtung aneinandergereihter Elemente (4, 5, 6) des Transportgestänges angeordnet sind. Drucksondiervorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der seismischen Sensoren (9, 10, 11, 12) an der äußeren Mantelfläche des/der Elemente (4, 5, 6) des Transportgestänges mit einer Schutzschicht (13, 14) bedeckt sind, die insbesondere aus einem Kunststoff, weiter insbesondere aus einem Epoxidharz besteht. Drucksondiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der seismischen Sensoren (9, 10, 11, 12) mit einem Signalleiter (15, 16, 17) zur Weiterleitung von Messsignalen zu einem dem sondenseitigen, ersten Ende (7) entgegengesetzten zweiten Ende (8) des Transportgestänges (4, 5, 6) verbunden ist und/o- der dass jeder seismische Sensor eine Einrichtung (18) zur Digitalisierung und/oder Modulierung von Signalen für den Transport über den Signalleiter aufweist.
5. Drucksondiervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleiter (15, 16, 17) jeweils in ein Element (4, 5, 6) des Transportgestänges integriert und insbesondere in einem zentrischen Hohlraum (19) oder in einer Wand des Elements angeordnet ist.
6. Drucksondiervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleiter (15, 16, 17) aus Signalleiterabschnitten (16, 17) zusammengesetzt ist, die jeweils an den Enden der Elemente (4, 5, 6) des Transportgestänges lösbar miteinander verbunden sind, wobei die Signalleiterabschnitte insbesondere jeweils an Steckverbindungselementen (20, 21) enden, die mit je einem Ende eines Elements des Transportgestänges verbunden sind.
7. Drucksondiervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleiterabschnitte (16, 17) durch einen o- der mehrere elektrisch isolierte elektrische Leiter und/oder durch Lichtleiter gebildet sind.
8. Drucksondiervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleiterabschnitte durch die Elemente (4, 5, 6) des Transportgestänges gebildet sind.
9. Verfahren zur Sondierung unter Verwendung einer Drucksondiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Signalleiter (15, 16, 17) aus Signalleiterabschnitten (16, 17) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit wachsender Eindringtiefe der Sonde (1, 2, 3) nacheinander Elemente (4, 5, 6) des Transportgestänges zusammengefügt werden und dabei jeweils auch Signalleiterabschnitte (16, 17) miteinander verbunden werden.
10. Verfahren zur Sondierung unter Verwendung einer Drucksondiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen wenigstens eines Teils des Transportgestänges (4, 5, 6) die Bewegung der Sonde (1, 2, 3) unterbrochen und eine oder mehrere seismische Messungen unter Verwendung von mehreren, in Längsrichtung des Transportgestänges voneinander beabstan- deten seismischen Drucksensoren (9, 10, 11, 12) durchgeführt wird /werden.
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