NO170747B - Apparat for aa koble en seismisk kilde til veggene i et borehull - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt seismiske kilder for underjordisk leting, og spesielt et apparat for å koble en seismisk kilde til veggene i et borehull.

I noen seismiske letemetoder anordnes en seismisk kilde i borehullet, og kilden aktiveres ved gitte dybder for å frembringe veldefinerte akustiske bølger i de tilstøtende underjordiske formasjoner. Videre benyttes et sett av sensorer, enten fordelt over overflaten på bakken eller i nærliggende borehull for å ta opp akustisk informasjon til analyseformål etter at denne har forplantet seg gjennom og er reflektert fra geologiske formasjoner.

Når en seismisk kilde anbringes i et borehull, blir det i kjent teknikk stort sett ikke tatt noen spesielle forholds-regler med hensyn til hvordan kilden kobles til de geologiske formasjoner som finnes på samme dybde.

Spesielt vil uansett arten av den benyttede kilde de akustiske bølger som genereres ved aktivering av kilden virke både sideveis mot de geologiske formasjoner og oppover og nedover langs borehullet i form av kompresjonsbølger og/eller rørbølger. Denne oppad- og nedadgående akustiske energi forårsaker interferensstøyfenomener i de tilstøtende geologiske formasjoner, og denne støy tas opp av lydsensorene for de signaler som skal analyseres.

Av økonomiske grunner er det dessuten ønskelig å optimere mengden av akustisk energi som benyttes på de aktuelle geologiske formasjoner. Da generelt en meget stor andel av den akustiske energi forplanter seg vertikalt langs borehullet uen noen vesentlig effekt på den geologiske formasjon, er det således i praksis nødvendig å gjenta lydemi-sjonen et stort antall ganger, noe som er ufordelaktig.

US-patent 3.730.269 beskriver en akustisk kilde for bruk i et borehull, og omfattende topp- og bunnelementer som seg imellom definerer et rom hvor den akustiske effekt skal virke. Den egentlige akustiske kilde eller oscillatorenhet er imidlertid ifølge US-patentet ikke plassert i det nevnte rom, og det er klart at denne kjente konstruksjon ikke er beregnet for utsendelse av kraftige og bredbåndete pulser, idet bl.a. avstemning er fremholdt som vesentlig. Ved seismikk-anvendelser kreves det imidlertid bredbånds-signaler, dvs. i det minste omfattende to oktaver, og den her angitte kjente konstruksjon er åpenbart ikke utformet med en slik anvendelse for øyet.

På bakgrunn av denne kjente teknikk tar oppfinnelsen utgangspunkt i et apparat som omfatter topp- og brunnpropp-elementer som seg imellom definerer et rom med en aksiell utstrekning svarende stort sett til de deler av borehullsveggene som det ønskes kobling til, hvor topp- og bunnproppelementene hvert har en viss aksiell utstrekning og tverrdimensjoner hovedsakelig lik de innvendige dimensjoner av borehullet samt er forsynt med akustiske barrieremidler, og det er anordnet forbindelsesinnretninger til å forbinde bunnproppelementet med topproppelementet uten å isolere rommet fra de omgivende vegger i borehullet.

Det nye og særegne ved apparatet ifølge oppfinnelsen består i første rekke i at forbindelsesinnretningene har form av opphengselementer i en åpen struktur plassert radielt utenfor den sentrale akse gjennom rommet, og at en seismisk kilde er innrettet til å plasseres tilnærmet sentralt i rommet radielt innenfor opphengselementene og fortrinnsvis med sin lengderetning forløpende aksielt i rommet.

På grunn av deres treghet og deres lengde vil således proppelementene på fordelaktig måte begrense den akustiske energi som er frembragt ved aktivering av kilden, til det nevnte rom og hindrer at den forplanter seg langsetter borehullet. Derved økes andelen av nyttbar lyd og en stor del av interferensstøyen elimineres.

Fortrinnsvis er topp- og bunnproppelementene massive metallsylindere.

Ifølge en alternativ utførelse er proppelementene hul-sylindre som i det minste delvis er fylt med absorberende skum, og lukket ved sine ender som vender mot rommet.

De akustiske bølger som emitteres vertikalt fra kilden, blir således ytterligere svekket ved dempingseffekten av skum-absorpsjonsorganet, idet absorpsjonsorganet også bidrar til å svekke resonansbølger som kan forekomme i et borehull.

Andre nye og særegne trekk ved apparatet ifølge oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse og av patentkravene.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i den etter-følgende, detaljerte beskrivelse av foretrukne utførelses-eksempler, og under henvisning til tegningen hvor: fig. 1 viser et vertikalt aksielt snitt gjennom en første

utførelse av oppfinnelsen, og

fig. 2 viser et aksielt vertikalsnitt gjennom en annen utførelse av oppfinnelsen.

På fig. 1 ses et borehull 10 til bruk med en seismisk kilde ved forskjellige dybder, og den geologiske formasjon 12 som borehullet gjennomtrenger.

Et apparat i henhold til en første utførelse av oppfinnelsen omfatter ovenfra og ned to sylindriske elementer eller propper, nemlig en topp-propp 14 og en bunnpropp 16. Bunnenden av topp-proppen 14 er lukket av en hel, sirkulær plate 18, mens dens toppende er lukket av en perforert plate, som et gitter eller lignende, som likeledes er sirkulært og betegnet med 20. Diameteren av sylinderne er valgt slik at de plugger borehullet så mye som mulig ved deres respektive dybder, uten å hindre vertikale manøvre av apparatet i

. borehullet.

Bunnenden av en opphengningskabel 22 er festet til toppsylinder-elementet eller -proppen 14, fortrinnsvis via dens bunnlukkeplate ved en ikke vist anordning.

På lignende måte er bunnproppen 16 lukket ved toppenden av en hel sirkulær plate 24, og ved sin bunnende av et gitter 26 (ikke synlig på figuren), som er analogt med gitteret 20.

Begge sylindere 14 og 16 fylles med skum av et plast-materiale, som vist ved 28 for bunnproppen.

Opphengningselementer, f.eks. tre metallkabler 3 0 i det foreliggende eksempel, strekker seg mellom bunnenden av toppelementet 14 og toppenden av proppelementet 16, idet opphengningselementene er festet med regelmessige mellomrom rundt disses omkretser. Fremgangsmåten ved å forbinde disse kabler 3 0 til proppelementene beskrives ikke, da det kan være enhver metode som anses egnet av fagfolk. Sylinderen 16 blir således hengende fra sylinderen 14 som i sin tur henger i kabelen 32, og derved definerer en hengende innretning til bruk i skuddoperasjoner for seismiske kilder med det formål å foreta underjordisk leting.

De to sylindere 14 og 16 blir således vertikalt adskilt med en forhåndsbestemt høyde, og de plugger borehullet slik at de seg imellom definerer et arbeidsrom 32. Sidene av rommet blir begrenset av veggene i borehullet 10, mens topp og bunn av rommet begrenses av de hele plater 18 og 24 i topp- og bunnsylinderne.

En seismisk kilde aktiveres slik at den opererer innenfor rommet 32. I det foreliggende eksempel består hoved-kilden av en <l>,primaccrd"-lunte 34 som vanligvis består av en kjerne av eksplosivt materiale med en gitt masse pr. lengde-enhet og omgitt av en kappe. En fenghette 36 er anordnet ved toppenden av lunten 34, og kan avfyres på et bestemt tids-punkt fra overflaten ved hjelp av en elektrisk kabel 38 som går langs opphengningskabelen 22.

Når apparatet i henhold til oppfinnelsen benyttes til å skaffe suksessive seismiske sjokk ved forskjellige dybder nede i et borehull, er det fordelaktig å benytte en mekanisme egnet for å gi ut "primacord"-lunte fra en kontinuerlig rull. En forhåndsbestemt lengde lunte blir derfor gitt ut etter hver eksplosjon under passende fjernstyring fra overflaten for å forberede neste aktivering. En slik mekanisme kan være anbragt i den ene eller den andre av de to sylindere 14 og 16.

Når den seismiske kilde 34 aktiveres som beskrevet ovenfor, frembringer den en tredimensjonal akustisk sjokk-bølge i rommet 32. De vertikale komponenter av denne bølge møter de hele overflater (lukkeplatene 18 og 24) i topp- og bunnsy1inderne 14 og 16, idet disse overflater motvirker forplantning av bølgene langs det vertikale rom dannet av borehullet på grunn av deres treghet og ved absorpsjons-virkningen av skummet 28 i hver av sylinderne.

Gitterne 20 og 26 tjener til å holde blokkene av absorberende skum 28 på plass, mens de allikevel tillater kommuni-kasjon mellom det innvendige volum av hver av sylinderne 14 og 16 og borehullet nedenfor buret, slik at skummet settes i stand til å ha en akustisk dempeeffekt på rørbølgene som ellers kunne forekomme i borehullet.

Følgelig blir hoveddelen av den akustiske energi fra aktiveringen av kilden begrenset på en relativt enhetlig måte til sideveggene i arbeidsrommet, dvs. til den tilstøtende geologiske formasjon. Dette forbedrer den seismiske kildes direktivitet og forbedrer således koblingen med den geologiske som omgir den, mens man unngår interferens-fenomener som kunne oppstå ved at bølgen forplanter seg i lengderetningen langs borehullet. Det kan her iakttas at opphengningskablene 30 som har små tverrdimensjoner, i det vesentlige ikke vil være noen hindring for den nevnte sideveis virkning av den seismiske kilde.

I den foreliggende utførelse er den hengende burinn-retning utført i stål. Platene 18 og 24 og gitterne 20 og 26 kan festes til enden av sylinderne eller proppelementene ved sveising.

Fig. 2 viser en utførelsesvariant av oppfinnelsen. På denne figur er tilsvarende elementer eller deler lik dem på fig. 1, betegnet med samme henvisningstall.

Den opphengte struktur i denne variant omfatter en toppsylinder eller -propp 14 og en bunnsylinder eller -propp 16 som definerer et lukket rom seg imellom. I dette tilfelle er de to sylindere forbundet med stive stenger 50, f.eks. utført i stål.

Som det kan ses har topp- og bunnveggene av hver sylinder 14 og 16 kjegleform med en vinkel i toppunktet på omtrent 120°.

På samme måte som beskrevet ovenfor, er ytterveggene 20' og 26' av sylinderne utført som gittere eller lignende strukturer, mens innerveggene 18 og 24 vertikalt begrenser arbeidsrommet 32 og er hele, slik at de lukker borehullet ved sine respektive dybder.

Som i den foregående utførelse (men ikke vist) er sylinderne fylt med absorberende skum.

Ved denne utførelse omfatter apparatet en seismisk kilde 52 som strekker seg aksielt og som er egnet til å virke over 360° i radialretningen. Denne kilde kan velges fra en rekke mulige kilder nevnt nedenfor.

Den koniske form på endeflatene av sylinderne har som hovedoppgave å lette vertikal forflytning av apparatet langs borehullet, og spesielt å lette strømningen av slam som forekommer i borehullet mellom sylinderne og borehullets vegger.

I tillegg er den koniske form ment å redusere den mekaniske kraft som utøves ved at sjokkbølgen belaster sylinderne når den seismiske kilde aktiveres. Skråstillingei av overflatene mot arbeidsrommet bidrar til å reflektere endel av den mottatte akustiske energi sideveis mot den tilstøtende geologiske formasjon. I kombinasjon med den ovennevnte absorpsjonseffekt dannet av skummet, minimerer denne metode transmisjonen av akustisk energi i lengderetningen langs borehullet.

Når det dreier seg om en seismisk kilde som benytter høytrykksgassladninger, stimulerer den ovennevnte koniske form dessuten fjerningen av bobler dannet i slammet oppover langs borehullet, idet denne fjerning er nødvendig for å få et tilfredsstillende seismisk sjokk neste gangs kilden benyttes.

Det skal iakttas at bruken av stive stenger 50 i denne utførelse istedenfor opphengskablene 30 vist på fig. 1 gir den fordel at de tillater bruk av seismiske kilder av implo-sjonstypen, uten at de to sylindere blir tilbøyelige til å bevege seg mot hverandre på en uønsket måte under virkningen av et slikt plutselig trykkfall frembragt ved aktivering av denne kildetype.

Naturligvis er den foreliggende oppfinnelse ikke begrenset til utførelsene som er omtalt og vist, men omfatte: enhver variant eller modifikasjon innenfor oppfinnelsens ramme.

Spesielt kan de forbindelsesinnretninger, via hvilke bunnproppen henger fra toppsylinderelementet, bestå av en hvilken som helst åpen struktur, slik som stenger, kabler, gittere, i ethvert passende antall og tetthet.

Dessuten kan hvilken som helst kjent type konvensjonell kilde benyttes, og kilden kan være implosiv eller eksplosiv og fortrinnsvis strekke seg aksielt for å virke over 360° i radialretning. Spesielt kan følgende kildetyper benyttes: en vannkanon, en kanon for å avfyre en salve av eksplosive ladninger, en "sparker" eller en "mini-hylse", dvs. en luft-utvidelseskilde av hylsetypen. Topp- og/eller bunnsy lindern»

(proppene) kan da være spesielt anordnet for å motta endel av mekanismen i kilden, naturligvis forutsatt at kilden er utført for å virke i rommet 32 mellom sylinder- eller proppelementene .

Dempingen av akustisk energi som har en tendens til å forplante seg i vertikalretningen langs borehullet, kan forbedres ytterligere, med bibeholdelse eller sløyfing av dempingen av det absorberende skum som beskrevet ovenfor, ved å sikre at topp- og bunnproppene har meget høy treghet. De kan derfor i det minste delvis være utført helt av metall.

Generelt bør de to sylinder/proppelementer ha hovedsakelig identisk treghet for å forhindre at hele den hengende innretning skal få en tilbøyelighet til å bevege seg oppover eller nedover hver gang kilden aktiveres.

Dessuten kan apparatet være utstyrt med enhver art for demping eller absorpsjon av den tapte energi som utøves på de innvendige ender av de to sylindere eller propper.

For eksempel kan vertikal rifling eller spiralformede spor anbringes på ytterflaten av proppsylinderne for å evakuere luftbobler som dannes når kilden aktiveres, og dette kan gjøres uten at koblingen til borehullets vegger svekkes.

En annen løsning kan bestå i å anordne et ventilelement innenfor hver proppsylinder i nærheten av den ende som vender mot arbeidsrommet, idet ventilelementet reagerer på trykket dannet av kidlen ved aktivering slik at det beveges bort fra sitt sete og skaffer en fluidforbindelse med borehullet nedenfor innretningen via en passende innvendig passasje. I dette tilfelle er returorganer som fjærer anordnet for å føre ventilelementene tilbake mot sine seter.

Ventilelementene blir fortrinnsvis utført i metall og har høy treghet.

Uansett det anordnede absorpsjonsorgan bør de to propp-sylindere dessuten oppføre seg hovedsakelig symmetrisk når kilden aktiveres for å begrense den algebraiske sum av verti-kalkreftene som utøves på strukturen til en rimelig verdi.

Endelig kan det iakttas at forbedringen av koblingen mellom den seismiske kilde og de omgivende underjordiske formasjoner gjør det mulig å benytte seismiske signaler med meget enklere bølgeformer, noe som er fordelaktig både fra et teknisk synspunkt og fra et økonomisk synspunkt.

Claims (11)

1. Apparat for å koble en seismisk kilde til veggene i et borehull, spesielt for underjordiske leteformål, omfattende topp- og bunnproppelementer (14,16) som seg imellom definerer et rom (32) med en aksiell utstrekning svarende stort sett til de deler av borehullsveggene som det ønskes kobling til, hvor topp- og bunnproppelementene (14,16) hvert har en viss aksiell utstrekning og tverrdimensjoner hovedsakelig lik de innvendige dimensjoner av borehullet (10) samt er forsynt med akustiske barrieremidler (18,24,28;18',24'), og det er anordnet forbindelsesinnretninger (30,50) til å forbinde bunnpr oppe lement et (14) med topproppelementet (16) uten å isolere rommet (32) fra de omgivende vegger i borehullet, karakterisert ved at forbindelsesinnretningene har form av opphengselementer (30,50) i en åpen struktur plassert radielt utenfor den sentrale akse gjennom rommet (32), og at en seismisk kilde (34,52) er innrettet til å plasseres tilnærmet sentralt i rommet (32) radielt innenfor opphengselementene (30,50) og fortrinnsvis med sin lengderetning forløpende aksielt i rommet.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at opphengselementene utgjøres av i det minste tre forholdsvis tynne, strengformede elementer (30,50) plassert med innbyrdes like vinkelavstander og samme radius i forhold til den nevnte sentrale akse.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at opphengselementene omfatter kabler (30).

4. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at opphengselementene omfatter stenger (50).

5. Apparat ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at topp- og bunnproppelementene (14,16) har i det vesentlige samme treghet.

6. Apparat ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at proppelementene (14,16) er hulsylindere som i det minste delvis er fylt med et absorberende skram og lukket ved sine ender som vender mot rommet (32) .

7. Apparat ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at proppelementene har form av massive metallsylindere.

8. Apparat ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at proppelementene (14,16) har koniske endeflater.

9. Apparat ifølge et av kravene 1-8, karakterisert ved at hvert proppelement omfatter ventildannende organer ved sine ender som vender mot rommet, idet de ventildannende organer skaffer fluidforbindelse med borehullet bortenfor apparatet når den seismiske kilde aktiveres.

10. Apparat ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at hvert proppelement i sin ytre overflate har uthulninger som danner fluidpassasjer mellom elementene og borehullets vegger.

11. Apparat ifølge et av kravene 1-10, karakterisert ved at den seismiske kilde (34,52) er valgt fra gruppen bestående av eksplosive materialer, implosive kilder, vannkanoner, minihylser og "sparkere".