DE69314603T2 - Seismische Quelle - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen seismischer Untergrundwellen und auf eine Quelle zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren und eine Quelle, wobei das Verfahren umfaßt:
• - Einführen eines Blockierkörpers in eine Fluidzufuhrleitung, die unterirdisch angeordnet ist und ein Fluid abwärts leitet;
• - Mitführenlassen des Blockierkörpers von der Fluidströmung nach unten und Anpressen des Körpers gegen einen Sitz in einem Abschnitt der unterirdischen Zufuhrleitung, wodurch das Fluid blockiert wird; und
• - Fortsetzen der Fluidströmung, um dadurch den Fluiddruck zu erhöhen, bis der Körper durch den Sitz hindurchgezwängt wird, was zu der Erzeugung seismischer Wellen führt.
• Ein solches Verfahren und eine solche Quelle sind aus dem US-Patent Nr. 3 993 974 bekannt. Im einzelnen wird ein zerbrechliches Objekt in das Bohrgestänge eingeführt, welches in dem gerade gebohrten Bohrloch angeordnet ist. Anschließend wird das Objekt vom Schlammstrom durch das Gestängerohr nach unten geführt, bis die Öffnung vom Rohr zur Bohrkrone erreicht ist. Dadurch ist die Öffnung blockiert. Durch diese Blockierung steigt der Druck im Inneren des Rohres auf einen bestimmten Pegel an, bei welchem das Objekt zerspringt und in viele Stücke zerfällt. Daraufhin expandiert die komprimierte Flüssigkeit expansionsartig durch die Öffnungen in der Bohrkrone in der Art von Schockwellen hindurch, und elastische bzw. seismische Wellen werden erzeugt und breiten sich anschließend durch die unterirdischen Formationen hin aus.
• Obwohl beispielsweise Geophone an der Erdoberfläche die Signalkomponenten der seismischen Wellen aufnehmen, sind die Signale durch dieses Zerspringen und Zerfallen spürbar zeitlich verteilt. Dies verursacht eine Unbestimmtheit sowohl hinsichtlich der Ausgangs- als auch Ankunftsmerkmale der Wellen als auch hinsichtlich einer Unterscheidung dieser Signale von den Signalen der Bohrkrone und anderen Geräuschen. Darüber hinaus sind die so erzeugten Signale nicht reproduzierbar. Es ist klar, daß solche Signale sehr schwer handzuhaben sind, um eindeutige Lokalisierungen unterirdischer Formationen zu erhalten.
• Die EP-A-0 151 060 offenbart eine akustische Impulsquelle, welche das Zusammenwirken einer in einer ersten Kammer gleitenden mobilen Masse mit einem Kolben zeigt, der in einer zweiten Kammer gleitet.
• Die EP-A-0 182 300 offenbart eine Luftpistole mit Abfeuerkolben und einem Pendelschaft.
• Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine seismische Quelle zur Durchführung eines Verfahrens zun Erzeugen seismischer Wellen zu schaffen, die reproduzierbar sind und klar von Hintergrundgeräuschen und Störsignalkomponenten unterschieden werden können.
• Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Quelle zum Erzeugen seismischer Wellen in einer bestimmten Richtung zu schaffen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte Verfahren daher verbessert, indem gleichzeitig mit dem Blockieren des Fluids zumindest ein vorgespannter Kolben gegen eine Stimwand einer Kolbenkammer getrieben wird, die neben dem genannten Zufuhrleitungsabschnitt oberhalb des Blockierkörpers liegt und an diesen angeschlossen ist; und, wenn der Blockierkörper durch den Sitz hindurchgezwängt wird, der Kolben entlastet wird, wobei der Kolben an die der oben genannten Stimwand gegenüberliegende Stimwand anschlägt und seismische Wellen erzeugt.
• Darüber hinaus weist die Quelle zur Ausführung des obigen Verfahrens ferner eine Kolbenkammer auf, die neben dem genannten Abschnitt liegt und in einer Stimwand an einem Ende eine Öffnung zu dem genannten Abschnitt oberhalb des Körpers hat, wenn dieser gegen den Sitz gepreßt wird, und einen vorgespannten Kolben aufweist, welcher die Kammer am anderen Ende verschließt und zu der korrespondierenden anderen Stimwand getrieben wird, wenn der Blockierkörper gegen den Sitz gepreßt wird, wobei der Körper bei einem vorgegebenen Fluiddruckpegel durch den Sitz hindurchgezwängt wird und dadurch den Kolben freigibt, welcher an die eine Stimwand anschlägt und seismische Wellen erzeugt.
• In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Bohrgestänge zum Abwärtsleiten von Spülschlamm verwendet, und entweder der Blockierkörper oder der Sitz oder sogar beide Teile sind aus einem elastischen Material gefertigt, wie Polytetrafluorethylen (Teflon ist ein Warenzeichen) oder Gummi.
• In noch einer weiteren Ausführungsform sind der Blockier körper und der Sitz eine Kugel/Ring-Kombination. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein mittels einer Druckfeder vorgespannter Kolben im wesentlichen abwärts, aufwärts oder seitlich bewegt.
• Vorteilhafterweise werden das obige Verfahren und die obige Quelle während des Bohrens eines Bohrloches angewandt. Es hat sich gezeigt, daß sogar die Anwendung bei Unterwasserbedingungen vorteilhafte Ergebnisse liefert, weil sowohl Kompressions- als auch Scherwellen erzeugt werden können.
• Die Erfindung wird nun an Hand eines Beispieles ausführil cher unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt,
• Fig. 2 schematisch eine weitere Ausführungsform einer seismischen Quelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und
• Fig. 3 die Ergebnisse von Experimenten zeigt, die nach einem Verfahren des Standes der Technik und nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden.
• In den Fig. 1 und 2 werden gleiche Bezugszeichen für kor respondierende Elemente verwendet.
• In Fig. 1 ist schematisch eine Seitenansicht eines Querschnittes einer unterirdischen seismischen Quelle 1 der vorliegenden Erfindung gezeigt, die an einem Bohrgestängeabschnitt 2 als Teil eines Bohrgestänges von der Erdoberfläche bis zu einem Bohrlochort angeschlossen ist, wo eine Bohrkrone arbeitet. Der Bohrlochort kann ein Unterseeort sein, während anstelle eines Bohrgestänges für die Zwecke der Bohrkrone jede andere Fluidzufuhrleitung verwendet werden kann. Im Gestängeabschnitt 2 strömt in dieser Figur Spülschlamm 3 unter Druck von einem Ort an der Oberfläche aus.
• Um das Druckanstieg/Druckentlastungs-Merkmal der vorliegenden Erfindung zu erzielen, wird ein Blockierkörper 4 in das Bohrgestänge an einem Oberflächenort eingebracht. Der Blockierkörper 4 wird durch das Fluid, insbesondere den Spülschlamm, transportiert und hält an einem Sitz 5 an, der als Verengung in dem genannten Bohrgestängeabschnitt angeordnet ist. Vorteilhafterweise besitzt der Sitz 5 die Form eines Ringes, wogegen der Blockierkörper 4 eine Kugel ist. Entweder der Körper 4 oder der Sitz 5 oder beide können aus elastischem Material gefertigt sein, wie Polytetrafluorethylen oder Gummi, oder können einen äußeren Teil oder eine äußere Schicht aus diesen Materialien aufweisen. Der Sitz umfaßt vorteilhafterweise einen O-Ring 6 aus elastischem Material. Der Blockierkörper kann jedoch auch aus einem zerbrechlichen Material gefertigt sein.
• Wie in Fig. 1 gezeigt ist eine Kolbenkammer 10 an den Bohrgestängeabschnitt 2 angeschlossen. Die Kammer 10 umfaßt ein Gehäuse 11, in dem ein Kolben 14 mittels einer Druckfeder 15 gegen eine Stimwand 16 vorgespannt ist und sich nach einem Freilassen zur gegenüberliegenden Stimwand 12 bewegen kann. Der Begriff "Kolben", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf jedes beliebige Mittel, welches zwei Räume unterteilt und durch eine Druck- oder Kraftdifferenz, die an diesem Mittel anliegt, bewegbar ist. Die genannte eine Stirnwand 16 ist über einen Kanal 17 an das Fluid bzw. den Spülschlamm außerhalb des Bohrgestängeabschnittes 2 angeschlossen. Auf der anderen Seite der Kolbenkammer 10 befindet sich eine Öffnung 13, durch welche das unter Druck stehende Fluid bzw. der unter Druck stehende Spülschlamm den Kolben 14 gegen seine Vorspannung zur genannten einen Stimwand 16 drücken kann. Diese Öffnung 13 befindet sich zumindest geringfügig oberhalb des Blockierkörpers 4, wenn dieser gegen den Sitz 5 gepreßt ist. Somit wird der gleiche Druck dem Blockierkörper 4 und dem Kolben 14 dargeboten.
• Abhängig von den gewünschten Quelleneigenschaften wird die Kompressionsfeder aus jedem beliebigen geeigneten Metall oder Kompositmaterial gefertigt und besitzt eine angemessene Federrate, wogegen für die Öffnung ein geeigneter Durchmesser gewählt wird.
• Abgesehen von der oben genannten Ausführungsform kann der Kolben auch pneumatisch oder hydraulisch vorgespannt werden. Bei solch einer Konfiguration wird in einem geschlossenen Raum ohne Kanal 17 zwischen der Stimwand 16 und dem Kolben ein geeignetes Gas oder Fluid als Vorspannmittel verwendet. Dementsprechend werden Anfangs- und End-Gas- oder -Fluiddrücke, zu
• Beginn des Druckanstieges bzw. zum Zeitpunkt des Abfeuerns der Quelle, gewählt.
• An oder nahe der Erdoberfläche wird eine Kugelzuführvorrichtung 20 vorgesehen. Mit Hilfe von Schiebemitteln 22, 22' wird eine Kugel aus einem Kugelzuführkanal 21 in das Bohrgestänge eingebracht, wo der Fluldstrom die Kugel weitertransportiert.
• In Fig. 2 ist schematisch eine Seitenansicht eines Querschnittes einer weiteren Ausführungsform einer seismischen Quelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine ringförmige Kolbenkammer 10, 10a ist an den Bohrgestängeabschnitt 2 angeschlossen.
• Ein Gehäuse 11, welches die Kammern 10, 10a umfaßt, erstreckt sich umfangsmäßig um den Bohrgestängeabschnitt herum. Wie oben erwähnt wird ein Blockierkörper 4 durch einen Strom von Spülschlamm 3 bis zu einem Sitz 5 transportiert.
• Bei dieser Ausführungsform sind zwei Kolben 14 und 14a, die sich als Körper mit einer Ringform erstrecken und in Ringräumen angeordnet sind, mit Hilfe einer oder mehrerer Achsenmittel 30 gekuppelt. Nachdem der Blockierkörper 4 angehalten hat, baut sich der Spülschlammdruck auf. Dieser Druck wird über die Öffnungen 13 und 13a und die Kolbenkammern 10 und 10a auf die Kolben 14 bzw. 14a ausgeübt. Diese gekoppelten Kolben sind mittels einer Druckfeder 15 vorgespannt. Kanäle 17 und 17a sind vorgesehen, um den Fluiddruck des Spülschlammes auf der Vorspannseite der Kolben an den Fluiddruck des den Gestängeabschnitt 2 umgebenden Spülschlammes anzugleichen. Darüber hinaus sind Abdichtmittel 31 vorgesehen, um den Durchtritt der Achsenmittel 30 gegenüber dem den Gestängeabschnitt 2 umgebenden Spülschlamm abzudichten. Beispielsweise werden O-Ringmittel Verwendet.
• Wenn die Quelle dieser Ausführungsform abgefeuert wird, wird bevorzugt jener Kolben, welcher mit den Vorspannmitteln in Berührung steht, gegen die korrespondierende andere Stimwand anschlagen. Dadurch werden mögliche Fehlersignale, die durch entsprechende asynchrone Kollisionen der jeweiligen Kolben verursacht werden, vermieden.
• Fachleuten wird klar sein, daß die Ausführungsform gemäß Fig. 2 die Speicherung von mehr Energie in der vorgespannten
• Kolbenanordnung kurz vor dem Abfeuern ermöglicht als die Ausführungsform von Fig. 1.
• Vorausgesetzt, daß eine genaue Kolbenbewegungssteuerung vorgesehen wird, kann eine modifizierte Kolbenanordnung einen ganzen Satz von Anschlagkolben aufweisen, was eine Signalmodellierung ermöglicht.
• Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 ausführlicher erläutert.
• In Fig. 3 sind zwei Experimente a und b in einem Amplituden-Zeitdiagramm dargestellt. Üblicherweise werden die Amplituden A aufgezeichnet und als Spannungen in Volt dargestellt.
• Die beiden Experimente umfassen das Ansteigenlassen des Wasserdruckes in einem Rohr, das etwa 2 m vertikal unterirdisch angeordnet ist, und die Aufnahme des Signales mittels eines Geophons an der Erdoberfläche 50 cm vom Rohr entfernt, während die Kugel durch den Sitz hindurchgezwängt wird.
• Die oben genannte Versuchsanordnung mit dem genannten Rohr und einer daran angeschlossenen Kolbenkammer hat eine gesamte Masse von 124 kg, 120 kg für das Kolbengehäuse und 4 kg für den darin eingeschlossenen Kolben. Die durch den Sitz hindurchgezwängte Kugel hat einen Durchmesser von 32 mm. Der Abfeuerdruck betrug 12 bar.
• Bei dem einen durch die Kurve a dargestellten Experiment wurde der mit der Druckfeder vorgespannte Kolben blockiert. Somit ergibt sich beim Abfeuern des Balles zum Zeitpunkt tF nur ein Signal, welches den Stoß der gesamten Anordnung, der durch die sich expandierende Flüssigkeit verursacht wird, repräsentiert. Dieses Experiment wird als beispielhaft für und die und vergleichbar mit der Anordnung der US 3 993 974 angesehen, bei welcher nur die Kugelwirkung verwendet wird.
• Bei dem anderen durch die Kurve b dargestellten Experiment wurde der vorgespannte Kolben nicht blockiert, und beim Abfeuern zum Zeitpunkt tF wurde der Kolben in Richtung nach unten freigegeben, und ein spitzenähnliches Signal, das auf den anschlagenden Kolben zurückzuführen ist, wurde beobachtet.
• Aus den obigen Ergebnissen wird klar sein, daß das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Erzeugung von seismischen Signalen mit wesentlich vergrößerter Amplitude und gut definierten Zeitcharakteristiken ermöglichen.
• Bei einer weiteren Anwendung der vorliegenden Erfindung kann abgesehen von der Abwärts-Freisetzbewegung des Kolbens eine Aufwärts- oder sogar Seitwärtsbewegung angewandt werden.
• Als ein Beispiel des letzteren Falles wird die Quelle in die Meeresbodenformation eingebettet. Um Scherwellen zu erzeugen, wird die Quelle so angeordnet, daß der Kolben im wesentlichen horizontal angetrieben und freigelassen wird, d.h. in einer im wesentlichen parallel zur Meeresbodenoberfläche verlaufenden Richtung.
• Zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten aus der vorangehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden.
• Beispielsweise kann eine weitere Leistungsoptimierung erzielt werden, indem die Kolbenmasse und die Vorspanncharakteristik aneinander angepaßt werden. Es ist beabsichtigt, daß solche Modifikationen in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erzeugen unterirdischer seismischer Wellen, welches Verfahren umfaßt: Einführen eines Blockierkörpers in eine Fluidzufuhrleitung (2), die unterirdisch angeordnet ist und ein Fluid abwärts leitet;

- Mitführenlassen des Blockierkörpers (4) von der Fluidströmung nach unten und Anpressen des Blockierkörpers (4) gegen einen Sitz (5) in einem Abschnitt der unterirdischen Zufuhrleitung, wodurch das Fluid blockiert wird;

- Fortsetzen der Fluidströmung, wodurch der Fluiddruck ansteigt, und Erzeugen von seismischen Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Blockieren des Fluids das Fluid zumindest einen vorgespannten Kolben (14) gegen eine Stimwand (16) einer Kolbenkammer (10) treibt, die neben dem genannten Zufuhrleitungsabschnitt oberhalb des Blockierkörpers liegt und daran angeschlossen ist, und daß die Fluidströmung fortgesetzt wird, bis der Blockierkörper (4) durch den Sitz (5) hindurchgezwängt wird, was zu einer Freigabe des Kolbens (14) führt, wobei der Kolben (14) gegen die Stirnwand (12) gegenüber der oben genannten Stimwand (16) anschlägt, wodurch die genannten seismischen Wellen erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Fluidzu fuhrleitung (2) ein Bohrgestänge ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Fluid Spülschlamm ist.

4. Unterirdische seismische Quelle zum Erzeugen seismischer Wellen, welche Quelle aufweist:

- einen Fluidzufuhrleitungsabschnitt (2), welcher Fluid abwärts leitet und einen Sitz (5) zur Aufnahme eines vom Fluid transportierten Blockierkörpers (4) aufweist, wobei der Körper (4) die Fluidströmung durch den genannten Abschnitt (2) blokkiert, wenn er vom Fluid gegen den Sitz (5) gepreßt wird, gekennzeichnet durch zumindest eine Kolbenkammer (10), die neben dem genannten Abschnitt (2) angeordnet ist und in einer Stirnwand an einem Ende eine Öffnung (13) zum genannten Abschnitt (2) oberhalb des Körpers (4) aufweist, wenn dieser gegen den

Sitz (5) gepreßt wird, und die einen vorgespannten Kolben (14) enthält, welcher die Kammer (10) am anderen Ende verschließt.

5. Quelle nach Anspruch 4, bei welcher der Fluidzufuhrleitungsabschnitt (2) ein Bohrgestängeabschnitt ist.

5 6. Quelle nach Anspruch 4, bei welcher der Blockierkörper (4) und/oder der Sitz (5) aus elastischem Material sind.

7. Quelle nach Anspruch 6, bei welcher das elastische Material Gummi oder Polytetrafluörethylen ist.

8. Quelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Blockierkörper (4) eine Kugel und der Sitz (5) ein Ring ist.

9. Quelle nach Anspruch 4, bei welcher der Kolben (14) mit Hilfe einer Druckfeder (15) vorgespannt ist.

10. Quelle nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher das Fluid Spülschlamm ist.