NL9002065A - Mini-vibrator. - Google Patents

Description

Mini-vibrator

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het exploreren van de ondergrond, in het bijzonder voor het opsporen van bepaalde structuren die zich op een zekere diepte bevinden, waarbij de gegevens worden verkregen uit opgevangen reflecties van mechanische trillingen die de aarde worden ingezonden, en die worden opgewekt door een vibrator die met het aardoppervlak is gekoppeld.

Om een beeld te krijgen van structuren in de ondergrond van de aarde - bijvoorbeeld en in het bijzonder van gesteentestructuren-wordt gebruik gemaakt van geofysische apparatuur die trillingen de aarde inzendt en die aan oneffenheden in de aarde gereflecteerde trillingen kan opvangen en registreren. De gereflecteerde signalen geven informatie over de bedoelde, reflecterende structuren. De mate waarin informatie wordt verkregen is vooral afhankelijk van de frequentie van de uitgezonden trillingen: het oplossend vermogen neemt toe met hogere frequenties.

Voorts is het uiteraard van belang, dat het gereflecteerde signaal voldoende sterk is om te kunnen worden geregistreerd. Om voldoende sterkte te realiseren wordt als seismische bron voor bedoeld type trillingen veelal een dynamiet-ontploffing toegepast. Ook worden wel gebruikt: een klap met een hamer op de grond; een zware bal die valt op een plaat die op de aarde ligt; een pijp die in de grond wordt gestoken en waarin een kleine lading tot ontploffing wordt gebracht.

Een probleem bij al deze trillingsbronnen is, dat nooit precies vaststaat wat het frequentie-spectrum van het opgewekte signaal is. Verder is het een probleem dat, wanneer om een groter oplossend vermogen te verkrijgen, de frequentie wordt verhoogd door bijvoorbeeld een wat kleinere ontploffing teweeg te brengen etc., de energie van het signaal zoveel lager wordt, dat zwakke reflecties onvoldoende of in het geheel niet kunnen worden waargenomen. Daarbij komt nog, dat hogere frequenties sneller worden verzwakt dan lagere. Een derde probleem is, dat bij gebruik van de genoemde pulsbronnen een gat in de grond kan ontstaan. Voor het bepalen van ondiep gelegen structuren is dit uiteraard ontoelaatbaar: voor de interpretatie van de gegevens wordt ervan uitgegaan dat de ondergrond elastisch reageert op de aangebrachte verstoring, wat niet het geval is wanneer de ondergrond blijvend wordt gedeformeerd. En wanneer het om sterke explosies gaat, kan gevaar voor de omgeving optreden: voor bebouwing of voor het milieu in het algemeen.

In de olie-industrie is men, vooral op grond van milieu-overwegin-gen, overgegaan op het gebruik van z.g. vibratoren. In plaats van de gebruikelijke korte, sterke explosie wordt dan gedurende enige seconden een veel zwakker signaal uitgezonden. Dit alternatief is mogelijk, omdat veelal de in totaal uitgezonden energie - de energie-inhoud, waarvoor de duur van het signaal van belang is, bepalend is. Met de besturing van de vibrator kan naast de energie-inhoud, ook de frequentie worden ingesteld. De besturing geschiedt hydraulisch.

Voor het gebruik bij het detecteren van ondiep - bijvoorbeeld circa 100 meter diep - gelegen, relatief kleine - in de orde van enkele decimeters - structuren, zijn dergelijke vibratoren echter ongeschikt, omdat de uitgezonden frequenties maximaal circa 100 Hz kunnen bedragen. Dit is voor het doel te laag. Aan het bepalen van dergelijke ondiep gelegen en relatief kleine structuren is behoefte bij de aanleg van wegen, tunnels, dammen etc. en ook bij het opsporen van water, ondergrondse gifstortplaatsen etc.

De uitvinding verschaft een werkwijze waarbij zowel een grote tri 11ingsenergie de aarde ingestuurd wordt, alsook de trillingsfrequen-tie hoog - boven 100 Hz - is en die dus kan worden gebruikt voor de exploratie van de genoemde ondiep gelegen, relatief kleine structuren. Die werkwijze vertoont daartoe het kenmerk dat de vibrator elektrodyna-misch wordt aangedreven en dat frequentie en duur van de uitgezonden trilling kunnen worden gestuurd.

Met de stroom door de spoel kan de frequentie van de vibrator direct gestuurd worden. Bij voorkeur worden frequenties gebruikt van tussen circa 20 Hz en circa 1500 Hz. De grenzen voor de frequenties worden veelal bepaald door resonantiefrequenties van de vibrator.

Doordat met de werkwijze volgens de uitvinding gebruik wordt gemaakt van bronsignalen die gedurende enige tijd worden uitgezonden, is er een grote behoefte aan snelle registratie van de - lange - ontvangen gereflecteerde signalen. In een voorkeursuitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding worden die signalen opgeslagen in een computergeheugen. Gebruik van een voldoende groot en voldoende snel geheugen voorkomt de noodzaak om reeds tijdens de meting, datareductie, waardoor de kwaliteit van de uiteindelijke gegevens wordt verlaagd, te moeten toepassen.

De uitvinding omvat ook de inrichting voor het uitvoeren van de genoemde werkwijze. Zo’n inrichting bevat een vibrator, die de benodigde hoge frequentie én de benodigde hoge energie kan leveren en vertoont daartoe het kenmerk dat de vibrator in essentie bestaat uit een magneet, waarmee een beweegbare, stroomvoerende spoel samenwerkt, dat hij een ophangsysteem voor de vibrator bevat en een koppelingsorgaan voor de koppeling van spoel en ondergrond.

Het ophangsysteem is een extern veersysteem, dat de relatief zware magneet draagt. Het koppelingsorgaan is bijvoorbeeld een met de spoel verbonden plaat, waarop de hele vibrator rust en die in gebruik het contact met het aardoppervlak tot stand brengt. Een dergelijke plaat is bijvoorbeeld rond met een diameter in de orde van 10 cm.

De besturing van de vibrator geschiedt bij voorkeur via signaal-processoren die in een standaard computer kunnen worden gemonteerd. Met een dergelijke processor wordt het uit te zenden signaal verzorgd: de signaal lengte, de energie en de vorm ervan.

Ook voor registratie van de gereflecteerde signalen wordt bij voorkeur een processor in een computer gemonteerd.

Opgemerkt wordt, dat de diepte van de structuren waarover informatie wordt verkregen met behulp van de vibrator volgens de uitvinding, sterk afhankelijk is van de bodemgesteldheid. Zachte gesteenten zoals zand en klei, dempen het seismische signaal sterker dan bijvoorbeeld kalk en graniet.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld van de werkwijze en een daarbij gebruikte inrichting, welke laatste schematisch is weergegeven in de figuren 1 en 2 van de tekening.

Gemeten werd op een ondergrond, bestaande uit met water verzadigd zand en klei. Gebruikt werd een vibrator met een magneet van 65 kg en een spoel waaraan via een relatief klein tafeltje een ronde, aluminium koppelingsplaat was bevestigd. Het totaal gewicht van de vibrator bedroeg 68 kg. De doorsnede van de koppel ingsplaat was 25 cm. De plaat was zó geconstrueerd dat de doorbuiging was geminimaliseerd. Op het aardoppervlak kon een kracht worden uitgeoefend van maximaal 500 N. Het externe veersysteem had een resonantiefrequentie van 10 Hz waarmee de onderkant van de mogelijke seismische bandbreedte was bepaald. Andere resonanties van de vibrator lagen boven 2000 Hz. De vibrator werd gestuurd met een 1000 Watt vermogensversterker. De besturing werd gerealiseerd door een standaard ’Digital Signal Processor Board’ (DSP). Dit board was in een standaard PC gemonteerd en verzorgde de opwekking van het uit te zenden signaal.

Een zelf ontwikkeld registratie-board was ook in een standaard PC gemonteerd. De totale registratie-bandbreedte was 500 KHz, gebaseerd op een 16 bit analoog-digitaal converter. Gebruikt werd een PC met een totale geheugencapaciteit van 16 Mb. De meetgegevens werden tenslotte bewaard in een Exabyte Tape Unit, waarin tapes worden gebruikt met een capaciteit van 2 Gb.

Aldus werd informatie verkregen over structuren tot op diepten van circa 150 m. Dezelfde metingen op hardere gesteenten zullen informatie geven over structuren op grotere diepten, bijvoorbeeld 300 m.

Fig.1 toont schematisch een inrichting volgens de uitvinding en Fig.2 toont een koppelingsplaat voor de koppeling van spoel en ondergrond.

In Figuur 1 is een magneet 1 met behulp van een ring 2 om de magneet, bevestigd aan aluminium dragers 3 die ieder met hun onderkant steunen op een veer 4. De veer 4 steunt op het koppelingsorgaan 5. Ring 2, dragers 3 en veer 4 vormen het externe veersysteem waarmee de magneet 1 is gekoppeld aan het koppelingsorgaan 5.

De magneet is voorzien van een centrale holte 6, waar zich een spoel bevindt. Bekrachtiging van deze spoel doet vibraties ontstaan in de veer 4 die deze overbrengt op de koppelingsplaat 5. Wanneer de veer 4 door de spoel naar beneden wordt gedrukt, worden de buitenkanten van de veer 4 naar boven gehaald. Daardoor krijgt de veer 4 een kromming en treedt dus lengteverandering - rek - op. Dat kan worden voorkomen wanneer de aluminium dragers 3 naar binnen buigen. Daartoe vertonen de dragers 3 zodanige voorzieningen - bijvoorbeeld verticale sleuven - , dat ze een grote horizontale en een zeer kleine verticale bewegingsvrijheid hebben.

Voor het meten van de optredende versnellingen is de inrichting voorzien van twee versnel!ingsmeters 7 en 8, respectievelijk op de magneet 1 en onder de veer 4. De meter 7 meet de versnelling van de magneet 1, de meter 8 is gekoppeld met de koppelingsplaat 5, met de spoel en met de veer 4 en meet de versnelling daarvan. Uit de metingen gedaan door 7 en 8 kan de kracht worden bepaald, die de koppelingsplaat uitoefent op de grond.

Figuur 2 toont in detail de koppelingsplaat 5. De koppelingsplaat 5 is zó geconstrueerd, dat doorbuiging bij hoge frequenties wordt voorkómen. Daartoe vertoont het ringvormige, bijvoorbeeld uit aluminium bestaande deel 9, dat op de aarde rust een opbouw van schotten 10 als getekend. Op het buisvormige centrale deel 11 rust de veer 4 met daarop de spoel binnen de magneet 1.

Claims (8)

1. Werkwijze voor het exploreren van de ondergrond, in het bijzonder voor het opsporen van bepaalde structuren die zich op een zekere diepte bevinden, waarbij de gegevens worden verkregen uit opgevangen reflecties van mechanische trillingen die de aarde worden ingezonden, en die worden opgewekt door een vibrator die met het aardoppervlak is gekoppeld, met het kenmerk, dat de vibrator elektrodynamisch wordt aangedreven en dat frequentie en duur van de uitgezonden trilling kunnen worden gestuurd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat hij wordt toegepast voor grondverkenning tot circa 100 meter diep met betrekking tot structuren in de orde van decimeters, en dat de vibratorfrequentie van meer dan 20 Hz bedraagt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de vibratorfrequentie ligt tussen 20 en 1500 Hz.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1 - 3, met het kenmerk, dat de gereflecteerde signalen worden opgeslagen in een computergeheugen.

5. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een of meer der conclusies 1 - 4, bevattende een vibrator voor het uitzenden van mechanische energie en een ontvanger voor het ontvangen van gereflecteerde energie, met het kenmerk, dat de vibrator in essentie bestaat uit een magneet, waarmee een beweegbare, stroomvoerende spoel samenwerkt, en dat is voorzien in een ophangsysteem voor de vibrator en een koppeling tussen de spoel en de ondergrond.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de koppeling met de ondergrond is gerealiseerd door een grondplaat met een diameter in de orde van 10 cm.

7. Inrichting volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, dat signaalprocessoren aanwezig zijn voor de aansturing van de frequentie, de kracht op de ondergrond en de tijdsduur.

8. Inrichting volgens conclusie 5, 6 of 7, met het kenmerk, dat hij samenwerkt met een computergeheugen voor opslag van de gereflecteerde signalen.