Die Erfindung betrifft eine Aufnehmervorrichtung zur Aufnahme von seismischen Signalen gemäss Anspruch 1 und eine Verwendung dieser Aufnehmervorrichtung gemäss Anspruch 4.
Seismische Verfahren werden im allgemeinen zur Erkundung der Gesteinsformationen verwendet. Zur Erzeugung seismischer Signale werden häufig impulsseismische Quellen verwendet, z.B. Sprengladungen. Zur Aufname der seismischen Signale wird eine Vorrichtung benötigt, welche die seismischen Schwingungen der Gesteinsformation am Aufnehmerort möglichst unverfälscht in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses elektrische Signal wird danach mittels geeigneter elektronischer und digitaler Verfahren für den jeweiligen Verwendungszweck weiterverarbeitet.
Während bei seismischen Untersuchungen mit grossen Erkundungsreichweiten, z.B. in der Kohlenwasserstoff-Exploration (Suche nach Erdöl und Erdgas) Reichweiten > 500 m, niederfrequente Aufnehmer, sog. Geophone im Bereich bis ca. 200 Hz, verwendet werden, wird bei hochauflösenden seismischen Untersuchungen mit geringen Erkundungsreichweiten < 500 m eine Vorrichtung zur Aufnahme der seismischen Signale im Frequenzbereich bis 5000 Hz benötigt.
Als Sensoren mit genügend grosser Empfindlichkeit in diesen Frequenzbereichen verwendet man vorzugsweise Beschleunigungsaufnehmer (Akzelerometer), die das seismische Signal in ein elektrisches Signal wandeln.
Bisher wurden diese Sensoren entweder direkt mittels Erdnagel (spike) oder in Aufnehmerbohrungen mit Sonden mechanisch an die Gesteinsformation angekoppelt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bekannten Vorrichtungen vor allem im Frequenzbereich oberhalb von 200 Hz unerwünschte Störsignale aufnehmen. Die Kopplung mit Erdnagel beschränkt sich im allgemeinen auf zugängliche freie Oberflächen, auf denen die störenden Amplituden der Oberflächenwellen gegenüber dem Nutzsignal besonders stark ausgeprägt sind. Aufnehmerbohrungen dienen im wesentlichen dazu, das Problem der störenden Amplituden der Oberflächenwellen zu umgehen und eine optimale Kopplung zum Gebirge zu gewährleisten. Die bisher in die Aufnehmerbohrungen eingesetzten Sonden neigen jedoch vor allem wegen des jeweiligen Kopplungsmechanismus zu Eigenresonanzen und/oder Auslöschungen im gewünschten Frequenzband.
Ein weiterer Nachteil bei der Anwendung von Sonden in unverrohrten Aufnehmerbohrungen ist, dass diese Sonden bei einem instabilen Bohrloch (Nachfall) entweder nicht gekoppelt bzw. eingeführt werden können oder verklemmen und nach der Messung nicht mehr herausgezogen werden können.
So schlägt z.B. die DE-OS 4 207 192 vor, die Empfangsvorrichtung einer Produktionskolonne zuzuordnen, diese in ein unter Produktion stehendes Bohrloch abzusenken und bei Bedarf zu verschieben. Die Kopplung der Empfangsvorrichtung erfolgt mechanisch über das einzementierte Futterrohr an die Formation. Der Nachteil dieser Lösung liegt jedoch darin, dass der verwendete Kopplungsmechanismus für Anwendungen im höherfrequenten Frequenzbereich zu den oben geschilderten Problemen führt (Eigenresonanz, Auslöschung).
US-PS 5 187 332 empfiehlt, den Bohrlochbereich mit der Aufnehmervorrichtung mit einer zähflüssigen Substanz aufzufüllen. Diese Substanz ist so zusammengesetzt, dass sie sich in situ versteift und dadurch eine mechanische Kopplung für die akustische Signalübertragung zwischen Formation und Aufnehmervorrichtung gewährleistet. Nach Abschluss einer seismischen Messung wird die versteifte Substanz mit einem geeigneten Stimulator wieder verflüssigt, so dass die Aufnehmervorrichtung wieder entfernt werden kann. Diese vorgeschlagene Lösung bringt den Nachteil, dass die operationelle Anwendung aufwendig ist und nicht gewährleistet, dass bei hochfrequenten seismischen Signalen eine ausreichende Kopplung durch die viskose Substanz gegeben ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Aufnehmervorrichtung zur Aufnahme von seismischen Signalen und eine Verwendung dieser Aufnehmervorrichtung zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen vermeidet und sowohl eine optimale Aufnahme der hochfrequenten seismischen Signale gewährleistet, als auch die operationelle Anwendung vereinfacht.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Eine Ausführungsvariante beschreibt, dass die Aufnehmerbohrung mit einem minimalen Durchmesser, vorzugsweise 32-35 mm, gebohrt werden kann. Durch den kleinen Durchmesser werden die Eigenschwingungen des Bohrlochhohlraumes selbst in einen Frequenzbereich gelegt, der oberhalb vom Nutzsignal liegt. Zudem kann der Kosten- und Zeitaufwand für die Erstellung der Aufnehmerbohrung minimiert werden. In die Aufnehmerbohrung wird unmittelbar nach dem Bohrvorgang ein dünnwandiges Rohr, z.B. Stahlrohr, einzementiert. Es hat sich gezeigt, dass hier vorzugsweise eine Verrohrung mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden kann, da dadurch die Eigenresonanzen des Gesamtsystems (Bohrlochhohlraum, Zement, Rohr) wirksam unterdrückt werden.
Eine weitere Ausführungsvariante sieht zudem Versteifungsrippen auf der Rohroberläche vor, die noch mögliche Störschwingungen zusätzlich über die Kopplung Zement-Gebirge absorbieren.
Zum Zeitpunkt der seismischen Messung wird die erfindungsgemässe Aufnehmervorrichtung zur Aufnahme seismischer Signale in die Verrohrung eingeschoben. Während dem Einschieben der Aufnehmervorrichtung koppeln sich die Sensoren an die kraftschlüssig mit dem Gebirge verbundene Verrohrung an. Diese Koppelung ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante zweifach ausgelegt, zum einen mechanisch, vorzugsweise mittels Federscheiben und zum anderen magnetisch, z.B. mit Permanentmagnetscheiben. Zusätzlich kann ein Gleitflüssigkeitsfilm appliziert werden, der vorab die Verrohrung vollkommen entstaubt und zusätzlich die Koppelung Sensor-Rohr verbessert. Diese Massnahmen ergeben in jeder Situation eine kraft schlüssige Kopplung zwischen Sensor und Verrohrung und damit zum Gebirge.
Nach Abschluss einer seismischen Messung kann die Aufnehmervorrichtung wieder herausgezogen und für weitere Messungen verwendet werden, während die Verrohrung im Bohrloch verbleibt.
Es hat sich gezeigt, dass die oben beschriebene Ausführung in den verschiedensten Gebirgsformationen (Fest- und Lockergestein) unproblematisch eingesetzt werden kann und störungsfreie seismische Signale liefert.
Die Aufnehmervorrichtung besteht aus zwei oder mehreren Sensorgruppen, die jeweils pro Raumrichtung einen entsprechenden ausgerichteten Sensor aufweisen. Hierdurch kann das seismische Wellenfeld am Aufnehmerort räumlich voll erfasst werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante werden die Signale mehrerer Sensorgruppen addiert, wodurch sich einerseits das Nutzsignal verstärken lässt und Störsignale, welche sich entlang der Verrohrung ausbreiten, abgeschwächt werden.
Die Kopplung zwischen Sensoren und Rohr erfolgt zweifach, mechanisch und magnetisch; die Aufnehmervorrichtung selbst und die Sensorgruppen untereinander sind durch geeignete Massnahmen jedoch akustisch entkoppelt. Hierdurch werden Eigenresonanzen der Sensorgruppen bzw. Störsignalübertragungen entlang der Aufnehmervorrichtung selbst wirksam unterdrückt. In einer bevorzugen Ausführungsform sind die verwendeten Sensoren Akzelerometer.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand technischer Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Aufnehmerbohrung mit Verrohrung
Fig. 2 Aufnehmervorrichtung in der Verrohrung eingeschoben
Fig. 1 zeigt eine Aufnehmerbohrung 1 mit einzementierter Verrohrung 3, hier mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Die Gebirgsformation 2 ist als Block angedeutet. Das Rohr 3 mit den Versteifungsrippen 4 ist mit Zement 6 kraftschlüssig mit dem Gebirge 2 verbunden. Das Rohr ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante mit einer Spitze 5 versehen. Dies erleichtert das Einbringen des Rohres besonders bei instabilen Aufnehmerbohrungen.
In der Fig. 2 ist ein Teil einer Aufnehmervorrichtung 7 dargestellt, welche eine Sensorgruppe 8 mit den darin eingebauten Sensoren 11 zeigt. Die Sensoren 11 sind mit einer mechanischen Kopplung 13, hier als Federscheibe ausgeführt, und einer magnetischen Kopplung 12, hier als Magnetscheibe dargestellt, mit dem Rohr kraftschlüssig verbunden. Mit geeigneten Mitteln, z.B. Gummiringen 15, werden die Sensoren 11 von der Sensorgruppe 8 akustisch entkoppelt. Auf gleiche Art werden die Sensorgruppen 8, welche mit Verbindungselementen 14 verbunden sind, akustisch entkoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnehmervorrichtung 7 an ihrem vorderen Ende (Fuss) zusätzlich mit Filzscheiben (16) ausgestattet, die neben einer Reinigung (Entstaubung) der Verrohrung 3 dazu dienen, eine Gleitflüssigkeit, u.a. zur optimalen Kopplung aufzubringen.
Die Aufnehmervorrichtung 7 besteht aus zwei oder mehreren Sensorgruppen 8, die durch Verbindungselemente 14 miteinander verbunden sind. In diesen Verbindungselementen 14 sind auch die Kabel 17 zur Übertragung der elektrischen Signale verlegt. Das hintere Ende der Aufnehmervorrichtung beinhaltet den Kopf mit einer Buchse, an welche die Kabel 17 angeschlossen sind (nicht dargestellt).
Bezugszeichen-Liste
1. Aufnehmerbohrung
2 Gebirge
3 Verrohrung
4 Versteifungsrippen
5 Spitze der Verrohrung
6 Zement
7 Aufnehmervorrichtung
8 Sensorgruppe
11 Sensor
12 Koppelung, magnetisch
13 Koppelung, mechanisch
14 Verbindungselemente
15 Entkoppelungsvorrichtung
16 Reinigungsfilz
17 Verbindungskabel
The invention relates to a sensor device for recording seismic signals according to claim 1 and a use of this sensor device according to claim 4.
Seismic methods are generally used to explore rock formations. Pulse seismic sources are often used to generate seismic signals, e.g. Explosive charges. In order to record the seismic signals, a device is required which converts the seismic vibrations of the rock formation at the sensor site into an electrical signal as unadulterated as possible. This electrical signal is then processed further using suitable electronic and digital processes for the respective intended use.
While in seismic surveys with long exploration ranges, e.g. In hydrocarbon exploration (searching for oil and natural gas) ranges> 500 m, low-frequency transducers, so-called geophones in the range up to approx. 200 Hz, a device for recording the. is used for high-resolution seismic surveys with short exploration ranges <500 m seismic signals in the frequency range up to 5000 Hz are required.
Accelerometers that convert the seismic signal into an electrical signal are preferably used as sensors with a sufficiently high sensitivity in these frequency ranges.
So far, these sensors have been mechanically coupled to the rock formation either directly using a spike or in sensor bores with probes. However, it has been shown that the known devices pick up undesirable interference signals, especially in the frequency range above 200 Hz. The coupling with Erdnagel is generally limited to accessible free surfaces on which the disturbing amplitudes of the surface waves are particularly pronounced compared to the useful signal. Transducer holes essentially serve to avoid the problem of the disturbing amplitudes of the surface waves and to ensure an optimal coupling to the mountains. However, the probes previously used in the transducer bores tend to resonate and / or cancel out in the desired frequency band, primarily because of the respective coupling mechanism.
Another disadvantage of using probes in uncased sensor boreholes is that these probes either cannot be coupled or inserted in an unstable borehole (fall) or jam and cannot be removed after the measurement.
For example, DE-OS 4 207 192 proposes to assign the receiving device to a production column, to lower it into a well under production and to move it if necessary. The receiving device is mechanically coupled to the formation via the cemented casing. The disadvantage of this solution, however, is that the coupling mechanism used for applications in the higher-frequency range leads to the problems described above (natural resonance, cancellation).
US Pat. No. 5,187,332 recommends filling the borehole area with a viscous substance using the pickup device. This substance is composed in such a way that it stiffens in situ, thereby ensuring a mechanical coupling for the acoustic signal transmission between the formation and the pickup device. After completion of a seismic measurement, the stiffened substance is liquefied again with a suitable stimulator, so that the sensor device can be removed again. This proposed solution has the disadvantage that the operational application is complex and does not guarantee that sufficient coupling is provided by the viscous substance in the case of high-frequency seismic signals.
The invention is therefore based on the object of providing a pickup device for picking up seismic signals and using this pickup device which avoids the disadvantages of the known methods and devices and both ensures optimum pickup of the high-frequency seismic signals and simplifies operational use.
According to the invention, this object is achieved by the features of claims 1 and 4. One embodiment variant describes that the transducer bore can be drilled with a minimum diameter, preferably 32-35 mm. Due to the small diameter, the natural vibrations of the borehole cavity are placed in a frequency range that lies above the useful signal. In addition, the cost and time required to create the sensor bore can be minimized. Immediately after the drilling process, a thin-walled pipe, e.g. Steel pipe, cemented. It has been shown that piping with a rectangular cross-section can preferably be used here, since this effectively suppresses the natural resonances of the overall system (borehole cavity, cement, pipe).
Another embodiment variant also provides stiffening ribs on the pipe surface, which additionally absorb possible interference vibrations via the cement-rock coupling.
At the time of the seismic measurement, the pickup device according to the invention for picking up seismic signals is pushed into the piping. During the insertion of the transducer device, the sensors couple to the piping that is non-positively connected to the rock. In a preferred embodiment variant, this coupling is designed twice, on the one hand mechanically, preferably by means of spring washers and on the other hand magnetically, e.g. with permanent magnet disks. In addition, a lubricant film can be applied, which completely dedusts the piping beforehand and also improves the sensor-pipe coupling. In every situation, these measures result in a forceful coupling between the sensor and the piping and thus to the mountains.
After a seismic measurement has been completed, the transducer device can be pulled out again and used for further measurements while the pipework remains in the borehole.
It has been shown that the design described above can be used in a wide variety of rock formations (solid and loose rock) without problems and provides interference-free seismic signals.
The pickup device consists of two or more sensor groups, each of which has a corresponding aligned sensor for each spatial direction. As a result, the seismic wave field at the transducer location can be fully captured in space. In a preferred embodiment variant, the signals of a plurality of sensor groups are added, which on the one hand allows the useful signal to be amplified and interference signals which propagate along the piping are attenuated.
The coupling between the sensors and the pipe is done twice, mechanically and magnetically; the sensor device itself and the sensor groups are acoustically decoupled from one another by suitable measures. In this way, natural resonances of the sensor groups or interference signal transmissions along the pickup device itself are effectively suppressed. In a preferred embodiment, the sensors used are accelerometers.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below on the basis of technical drawings. Show it:
Fig. 1 transducer bore with piping
Fig. 2 sensor device inserted in the piping
Fig. 1 shows a transducer bore 1 with cemented piping 3, shown here with a rectangular cross section. The mountain formation 2 is indicated as a block. The pipe 3 with the stiffening ribs 4 is non-positively connected to the rock 2 with cement 6. In a preferred embodiment, the tube is provided with a tip 5. This makes it easier to insert the pipe, especially in the case of unstable sensor bores.
FIG. 2 shows part of a pickup device 7, which shows a sensor group 8 with the sensors 11 installed therein. The sensors 11 are non-positively connected to the tube with a mechanical coupling 13, here designed as a spring washer, and a magnetic coupling 12, shown here as a magnetic disk. With suitable means, e.g. Rubber rings 15, the sensors 11 are acoustically decoupled from the sensor group 8. In the same way, the sensor groups 8, which are connected to connecting elements 14, are acoustically decoupled. In a preferred embodiment, the pickup device 7 is additionally equipped at its front end (foot) with felt disks (16) which, in addition to cleaning (dedusting) the piping 3, also serve to lubricate a lubricant, among other things. to apply for optimal coupling.
The pickup device 7 consists of two or more sensor groups 8, which are connected to one another by connecting elements 14. The cables 17 for transmitting the electrical signals are also laid in these connecting elements 14. The rear end of the pickup device includes the head with a socket to which the cables 17 are connected (not shown).
Reference symbol list
1. Transducer hole
2 mountains
3 piping
4 stiffening ribs
5 Piping tip
6 cement
7 transducer device
8 sensor group
11 sensor
12 coupling, magnetic
13 coupling, mechanical
14 fasteners
15 decoupling device
16 cleaning felt
17 connecting cables