NO153015B - Fremgangsmaate og anordning for undersoekelse av sprekker i jord og berggrunn med borehull - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte ved bestemmelse av bredde og radial lengde av sprekker i jord og fjellformasjoner med et borehull hvor man isolerer en sone av en forut bestemt lengde av borehullet, og en anordning for utførelse av fremgangsmåten omfattende en sonde som skal senkes i et borehull og pakningsanordninger på sonden for isolering av en målt sone i borehullet.

Rasjonell utnyttelse av natur-ressurser under jorden krever en nøyaktig vurdering av de utnyttbare ressursene. Således er det på hydrogeologiområdet og i undersøkelse og utnyttelse av oljekilder nødvendig å anvende mer og mer avanserte under-søkelsesmetoder for å karakterisere underjordiske reservoar-ers geologi, geometri og hydraulikk. Dette forutsetter likeledes at geoteknikere må gi en grundig beskrivelse av de geometriske, hydrauliske og mekaniske parametere for å forutse den hydromekaniske sammensetningen av de bergmassiver som gjennomstrømmes av vann. For andre disipliner, særlig geometrien og lagringen av produkter som f.eks. radioaktive .produkter i underjordiske bergmassiver, som nylig er ut-viklet, er det likeledes nødvendig med slike informasjoner for å etablere antagelses-modeller.

Likeledes støter andre disipliner med sine formål og sin teknologi i det minste i en fase av sin aktivitet på de samme problemer med bestemmelse av parametere som skal innføres i forutsigelses-modellen.

Gjennomstrømningene i sprekkfylt miljø, som til å begynne med ble tolket ved hjelp av klassiske modeller av et porøst miljø karakterisert ved en fordeling av porøsiteten og perme-abiliteten, blir nå gjenstand for modeller i hvilke diskon-tinuitetene blir tatt i betraktning. Denne nevnte analytiske beskrivelse betrakter bergmiljøet som et kontinuerlig, homogent materiale adskilt av frie diskontinuiteter som kalles sprekker eller frakturer.

Fremgangsmåter med svært ulike teknologier står til dispo-sisjon for teknikeren for å oppnå informasjon om det bergmiljø han vil undersøke. Moderne fremgangsmåter i geologistruktur forbundet med geofysiske forholdsregler muliggjør en god presisering av miljøets geologi. De hydrauliske parametere bestemmes generelt ved pumpe eller injek-sjonsforsøk i overgangs- eller pseudo-permanent tilstand.

Fremgangsmåtene for analyse av geologiske strukturer består

i å utføre et systematisk uttak av bruddstykker i de interessante soner i den undersøkte gjennomstrømning. Dette uttak gjennomføres ved å utga fra observasjoner av sondering-er, ganger eller det som er bragt til overflaten.

De geologiske fremgangsmåtene består i å anvende de gene-relle fysiske lover på bergarten. For dette formål bestemmes verdier for den undersøkte bergart på de parametere som er forbundet med disse lover (elektrisk motstand, magnetisk følsomhet, radio-aktivitet, lydhastighet, varmeledning).

Ved tolkning av disse parametere kan det oppnås informasjoner fra det undersøkte miljø, som f.eks. natur og plas-sering av sjikt, frakturering, porøsitet.

Kjente metoder er således de gravimetriske, elektriske, magnetiske og elektro-magnetiske, seismiske skjerpings-, radioaktive og termometriske metoder. Disse kjente: metoder er beskrevet i detalj i boken: "Géophysique appliquée a 1<1>hydrologie" av J. L. Astier, utgitt av Masson i 1967.

De hydrauliske metodene består hovedsakelig av forsøk på pumping eller injeksjon ved sondering med eller uten rør og delvis med pumpesil.

De fremgangsmåter som er forbundet med forsøksteknikker som f.eks. Lugeon-forsøkene, anvendelsen av en trippelhydrau-lisk sonde eller anvendelsen av et piezofor eller et piezo-permeameter, og fortokningsfremgangsmåter som er omtalt i en rapport publisert av Société Internationale de Méchanique des roches i august 1977, og-som har tittelen "Suggested Method for Determining Hydraulic Parameters and Characteristics of rock Masses". Disse fortolknings-fremgangsmåter kan klassifiseres i permanente eller pseudo-permanente modeller som tillater bestemmelse av global eller lokal permeabilitet og av overgangsmodeller som tillater tolkning av målinger i sprekkfylte miljøer med enkel geometri og hvis grad av oppsprekking er liten i forhold til gjennomgangen i forsøket.

Ved hjelp av forsøk som tolkes med forskjellige fremgangsmåter oppnås fortsatt en informasjon om sprekkdannelsen i bergartene som er meget usikker. Denne informasjon kommer faktisk oftest til uttrykk ved bestemmelse av en lokal permeabilitet som er vanskelig å relatere til den analytiske parameter for sprekkene i miljøet. Eksempelvis er utstrekningen av sprekkene eller oppdelingene en parameter som er meget vanskelig å verdsette.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte og en anordning for undersøkelse av bergartsmiljøer og jord som gjør det mulig å tilveiebringe spektralsignaturer fra de undersøkte soner og gjør det mulig ved tolkning av de oppnådde resultater å bestemme parameterne i de undersøkte miljøer, kvalitativt og kvantitativt, særlig dimensjonene på sprekkene.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved at man videre får væske som er tilstede i den isolerte sone av borehullet til å strømme altérnativt fra borehullet inn i og ut av den omgivende formasjon ifølge en forut bestemt strømningsfunksjon, balansere det statiske trykk i den isolerte sone av borehullet, varierer frekvensen av strøm-men avhengig av et sekvens verdiområde idet man for hver frekvensverdi måier det dynamiske trykk som dannes i den isolerte sone av borehullet ved å alternere strømmen av væske, og sammenligner med forut bestemte data variasjoner i dynamisk trykk og strømning med frekvens for å bestemme bredde og lengde av minst en sprekk i den isolerte sone av borehullet.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen består således i å studere et system som i tilfelle av et forsøk med vann i et

sprukkent miljø, kan anses å være et miljø i to faser,

fast stoff og vann, i hvilket det er plassert en forsøks-ordning. Det frembringes så en stimulering eller et inn-gangsignal i systemet, som i foreliggende tilfelle er den varierende mengde, systemets svar tilveiebringes ved opp-dagelse og måling av det dynamiske trykk som frembringes ved denne stimulering, idet det dynamiske trykket etter opp-nåelse av stasjonær tilstand blir en sinusformig funksjon lik funksjonen av den stimulerende mengde.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har som formål å tilveiebringe spektralsignaturer for de undersøkte soner, idet disse spektralsighaturer er variasjoner som funksjon av frekvensen til modulen av overføringsfunksjonen i systemet. En god til-nærming til denne modul av overføringsfunksjonen gis av forholdet mellom modulene av den fremkomne dynamiske trykk-funksjon og den varierende mengden av den frembragte væske.

'Det er bemerkelsesverdig, slik det fremgår i det følgende, at en sprekk i et bergartsmiljø oppfører seg som en resona-tor overfor en stimulering, idet resonansfrekvensen er karakteristisk for utstrekningen av sprekken.

Isoleringen av målesonen kan fortrinnsvis utføres på i og for seg kjent måte ved hjelp av oppblåsbare tetningsan-ordninger eller pakkere, som styres hydraulisk fra overflaten .

Den sinusformige varierende mengde kan fortrinnsvis frembringes ved alternative forflytninger av en membran, særlig med form av en metallisk belg, bestående av et ytre, rør-formig veggparti av en sonde som innføres i borehullet.

I en spesiell utførelsesform kan de varierende bevegelser

av denne membran frembringes av den varierende frem- og tilbakebevegelse i et kammer av et stempel som er festet til en akse som settes i kontinuerlig rotasjon ved hjelp av en turbin.

Denne utførelsesform er spesielt fordelaktig i de tilfeller hvor modulen til mengdefunksjonen i så fall gjelder for et stempel med bestemte egenskaper som er direkte proposjonel-le med turbinrotasjonens frekvens som er lett å måle. Ved måling av denne rotasjonsfrekvens og ved en passende justering fastslås modulen til mengdefunksjonen direkte, dvs. middel-amplituden for den mengde som frembringes i væsken

i stasjonær, sinusformig tilstand.

Anordningen ifølge oppfinnelsen for utførelsen av den foran angitte fremgangsmåte er karakterisert ved at den videre omfatter fortrengbare anordninger i sonden for å få væske som er tilstede i målesonen til å strømme alternerende fra målesonen inn i og ut av formasjonen som omgir målesonen, anordninger for å variere fortrengningsfrekvensen til de fortrengbare anordninger for å variere frekvensen til strømmen av væsken, og anordningen for å måle det dynamiske trykket i væsken, anordninger for å opprettholde et statisk trykk inne i sonden Hk det statiske væsketrykket i den isolerte sone, og anordninger for å overføre målt informasjon til en overflatestasjon.

Stemplet har fordelaktig en sylindrisk form hvis ende-flater er skråslipte og stemplet ledes inn i nevnte kammer slik at den kontinuerlige rotasjonsbevegelsen til aksen i turbinen omdannes til vekslende frem- og tilbakebevegelse av stemplet.

Rotasjonshastigheten til aksen kan fordelaktig reguleres

ved hjelp av fotoelektriske midler anbragt i sonden.

Mottrykksmekanismen omfatter et reservoar for komprimert gass i den nedre del av sonden med et trykk som minst er er lik det statiske trykket ved den maksimale dybde til hvilken det er ønskelig å sende sonden, en åpning i den nedre del av sonen, som er isolert fra reservoaret med en klaff, en kapillarforbindelse er etablert mellom nevnte klaff og et punkt i periferien til sonden i målesonen mellom de oppblåsbare tetningsinnretninger.

Andre fordeler og egenskaper ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse av et illustrerende utførelses-eksempel, og med henvisning til de medfølgende tegninger i hvilke: Fig. 1 meget skjematisk representerer en anordning ifølge oppfinnelsen plassert i et borehull, idet den venstre del av figuren representerer den øvre del av anordningen som er forbundet med den nedre del av denne, som vist på den høyre side av figuren. Fig. 2 og 3 er grafiske eksempler på spektral-signaturer for sprekker med forskjellige dimensjoner.

Anordningen ifølge oppfinnelsen illustrert i fig. 1

viser en sonde med forlenget form som skal festes i den nedre del av en stangrekke 1 som omfatter hydrauliske og elektriske forbindelseslinjer for å skaffe de forskjellige energiformer som er nødvendig for sondens funksjonering og å lede den oppsamlede informasjon til overflaten.

Sonden omfatter en øvre oppblåsbar tetningsinnretning 2 og en nedre oppblåsbar tetningsinnretning 3, vanligvis.kalt pakkere, og som kan oppblåses fra overflaten ved mating med en hydraulisk væske slik at de kommer til å ligge an mot veg-gene i borehullet 4.

Etter oppblåsing av tetningsinnretningene avgrenses det således mellom dem en isolert målesone i det indre av hvilken er skjematisert en sprekk eller oppdeling 5.

Anordningen ifølge oppfinnelsen omfatter en turbin 6 av

den type turbin som anvendes for hydraulisk boring og hvis hydrauliske matevæske fjernes via en klaff 7 utenfor den øvre oppblåsbare lukkeinnretning 2.

Utgangsaksen 8 i denne turoin 6 er festet til et stempel 9 med skråslipte endeoverflater 10 med en helning som kan gå opp til 60%, idet middelhelningen er av størrelsesorden på 45%. Stemplet 9 forflyttes således som følge av rotasjonsbe-vegelse av aksen 8 ifølge en loddrett'frem- og tilbakegående bevegelse i kammeret 11, som fortrinnsvis er fylt med olje, som det er anbragt i. Stemplet ledes i dette kammer og dets forflytninger er begrenset av øvre og nedre kamstenger.

Ovenfor kammeret 11 og i oljeforbindelse med dette befinner det seg et kammer 12, hvis periferiske vegger består av en membran i form av en metallisk belg 13. Den varierende be-vegelsen til stemplet 9 i kammeret 11 under påvirkning av rotasjonen til turbinen 6 frembringer således vekslende, pulserende forflytninger av membranen 13, hvilke forårsaker forflytninger av væsken som omgir sonden i målesonen, og for hver pulsering oppnås som forandring at en væskemengde som befinner seg i borehullet forflyttes mot sprekken 5 og deretter renner væske tilbake fra sprekken 5 til borehullet i nivå med målesonen. Arrangementet av stemplet og membranen er fortrinnsvis utført slik at funksjonen av den således frembragte mengde har en sinusform.

I en spesiell utførelsesform anvendes det således et stempel med tverrsnitt på 78,5 cm 2 med en gang på 10 cm for hvert halvomløp av aksen — følgelig tilveiebringer en stempelgang en væskemengde i sprekken på 785 cm 3 ved vekslingen.

I sin nedre del omfatter anordningen ifølge oppfinnelsen en mottrykksmekanisme som muliggjør kompensering og ekvilibre-ring av det statiske trykk som hersker på den dybde der sonden er plassert.

Mottrykksmekanismen omfatter i hovedsak en gassreserve 14 som er komprimert til et forhøyet trykk som tilsvarer det som hersker på den maksimale dybde som det er ønskelig å senke sonden til, f.eks. 200 bar, idet dette trykk kan på-føres fra overflaten. Mekanismen omfatter i sin nedre del en klaff 15 på hvis andre side det befinner seg en utgangs-åpning. Et kapillær 17 sikrer forbindelse mellom klaffen 15 og en åpning 18 som munner ut i borehullet i målesonen mellom de oppolåsbare lukkeinnretningene.

Det skal forstås at etter hvert som sonden trekkes opp i borehullet for å utføre målingene i de forskjellige sonene, frembringer den en progressiv utstrømning av komprimert gass som befinner seg i reservoaret 14. Trykket i reservoaret er således hele tiden i likevekt med det utvendige, statiske trykket i borehullet på det betraktede nivå.

Anordningen omfatter likeledes en trykkopptager 19 som eventuelt er forbundet med en temperaturopptager.

Det dynamiske trykket som måles av opptageren 19 i form av et sinussignal etter etablering av en stasjonær tilstand, og som har en bestemt frekvens som tilsvarer turbinens rotasjon, føres mot overflaten fortrinnsvis i form av bølgetog med varierende frekevns (VCO-system).

Anordningen omfatter dessuten midler for regulering av rotasjonshastigheten for aksen 8 ved utgangen av turbinen, skjematisert i form av en fotoelektrisk celle 20.

Målingen av aksens rotasjonshastighet ved turbinens utgang tilveiebringer den ønskede verdi for modulen til mengdefunksjonen, etter passende justering som tilsvarer dimensjoner og gang for stemplet.

Anordningen omfatter likeledes i den del som tilsvarer målesonen, en klaff 21 som står i forbindelse med overflaten ved hjelp av den hydrauliske væsken, og som dersom det ønskes, tillater å gjennomføre en modifikasjon av åpning-en av sprekkene og hydraulisk sammenklapping av bergartsmiljøet.

Endelig er det fordelaktig å utstyre den nedre del av kammeret 11 med en sikkerhetsmekanisme som samlet er vist ved 22 og omfatter klaffene 23 og en metallmembrari 24 i et kammer 2 5 som inneholder komprimert luft.

Denne sikkerhetsmekanisme gjør det mulig å unngå skader på kombinasjonen stempel 9/membran 13 i overflaten under fyll-ing av reservoaret 14 og er likeledes effektiv når det gjelder å sikre den samme beskyttelse i tilfelle av tilfeldige overtrykk under anvendelsen.

For å gjennomføre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i en målesone kan rotasjonsfrekvensen til turbinen varieres ifølge forhåndsbestemte verdier, og for hver av disse frekvenser oppnås det signaler som funksjon av det dynamiske trykk som frembringes av vekslende sinusformig grad som forårsakes av det omgivende miljø.

De oppnådde kurver som viser forholdet mellom modulen for det dynamiske trykket og modulen for mengden som funksjon av frekvensen, sammenliknes så med de kurver som oppnås fra matematiske modeller eller eksperimenter og som hver tilsvarer de bestemte egenskaper for sprekker eller jordtype.

Fig. 2 og 3 representerer således slike kurver. I fig. 2

er det vist spektralsignaturer for sprekker i en utvidelse eller område på 300 m avledet fra borehullet og for tykkelser på 0,5, 2 og 3 mm.

Resonanstoppen som tilsvarer en frekvens på 2,84 hertz er karakteristisk for utvidelsen av sprekken.

Fig. 3 illustrerer de kurver som oppnås for de sprekker som har en tykkelse på 1 mm og utstrekning på 175 m med en resonansfrekvens på 4,86 hertz og 225 med en resonansfrekvens på 3,78 hertz. Den tredje toppen som vises på fig. 3 tilsvarer den andre resonansfrekvensen for sprekken på 225 m.

Det er tilstrekkelig for tolkning av resultatene når det gjelder tykkelsen på sprekken å betrakte formen av kurven foran den første resonanstoppen,

I praksis disponeres det kataloger over spektralsignaturer, og sammenlikningen av de verdier som oppnås ved å anvende fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og teoretiske kurver, gir de etterspurte opplysninger.

Det beskrevne eksempel viser anvendelse av oppfinnelsen for kvantitativ bestemmelse av dimensjoner på sprekker i bergartsmiljøer.

Det skal forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til en slik type av jord, og finner anvendelse på mange områder, særlig i hydrologien og i forbindelse med vannressurser, ikke bare i sprukket fjell, men likeledes i porøst fjell eller karst-iger og i jord, på det geotermiske område i fuktig berg når det gjelder spørsmål om geotermiske ressurser eller på petroleumområdet når oljen er lagret i fjell. Oppfinnelsen kan likeledes anvendes på området dypgeotermi i tørre berg-arter, til geoteknikk utgående fra ett eller flere borehull eller til bestemmelse av egenskapene i et miljø som skal anvendes for lagring av avfall, særlig radioaktivt materiale ved store dybder.

Kort sagt, skjønt oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med en spesiell utførelsesform av anordningen, er det helt klart at den ikke er begrenset til denne, og at den kan modi-fiseres på mange måter uten å fravike fra oppfinnelses-tanken.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte ved bestemmelse av bredde og radial lengde av sprekker i jord og fjellformasjoner med et borehull hvor man isolerer en sone av en forut bestemt lengde av borehullet, karakterisert ved at man videre får væske som er tilstede i den isolerte sone av borehullet til å strømme alternativt fra borehullet inn i og ut av den omgivende formasjon ifølge en forut bestemt strømningsfunk-sjon, balansere det statiske trykk i den isolerte sone av borehullet, varierer frekvensen av strømmen avhengig av et sekvens verdiområdet idet man for hver frekvensverdi måler det dynamiske trykk som dannes i den isolerte sone av borehullet ved å alternere strømmen av væske, og sammenligner med forut bestemte data variasjoner i dynamisk trykk og strømning med frekvens for å bestemme bredde og lengde av minst en sprekk i den isolerte sone av borehullet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte varierende væskemengde frembringes ved varierende forflytninger av en membran, særlig i form av en metallisk belg, som utgjør en del av den ringformige ytter-veggen i en sonde som er innført i borehullet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at de varierende bevegelsene til nevnte membran frembringes av de varierende frem- og tilbakebevegelsene i et kammer i sonden av et stempel som er festet til en akse medført i en kontinuerlig rotasjon, idet målet på rotasjonsfrekvensen for nevnte akse bestemmer den nevnte modul for mengdefunksjonen.

4. Anordning for bestemmelse av dimensjonene til sprekker i et borehull ifølge fremgangsmåten i krav 1, omfattende en sonde som skal senkes i et borehull, pakningsanordninger på sonden for isolering av en målt sone i borehullet, karakterisert ved at den videre omfatter fortrengbare anordninger (9, 13) i sonden for å få væske som er tilstede i målesonen til å strømme alternerende fra målesonen inn i og ut av formasjonen som omgir målesonen., anordninger (6, 8) for å variere fortrengningsfrekvensen til de fortrengbare anordninger for å variere frekvensen til strømmen av væsken, og anordningen (19) for å måle det dynamiske trykket i væsken, anordninger (14, 15, 17) for å opprettholde et statisk trykk inne i sonden lik det statiske væsketrykket i den isolerte sone, og anordninger (1) for å overføre målt informasjon til en overflatestasjon.

5. Anordning'ifølge krav 4, karakterisert ved at de fortrengbare anordninger (9, 13) i sonden omfatter et kammer som spesielt er fylt med olje og i hvilket forefinnes et frem- og tilbakegående stempel, idet nevnte stempel er festet til en stang som' gis rotasjon av en turbin, idet nevnte kammer står: i forbindelse med et andre kammer hvis yttervegg er en ringformet membran, fortrinnsvis en metallisk belg.

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at nevnte stempel har sylindrisk form hvis ende-flater er skråslipte, og stempelet ledes i nevnte kammer på en slik måte at den kontinuerlige rotasjonsbevegelsen til turbinaksen omformes til varierende frem- og tilbakebevegelse av stempelet.

7. Anordning ifølge ett av kravene 5-7, karakterisert ved at rotasjonshastigheten til aksen reguleres ved fotoelektriske midler anbragt i sonden.

8. Anordning ifølge ett av kravene 4-7, karakterisert ved at mottrykksmekanismen ved den nedre del av sonden omfatter et reservoar for komprimert gass med et trykk som minst er lik det statiske trykket ved den maksimale dybden til hvilken sonden kan senkes, en åpning ved den nedre del av sonden, isolert fra reservoaret med en klaff, idet det foreligger en kapillærforbindelse mellom nevnte klaff og et punkt i sondens periferi i målesonen mellom de oppblåsbare tetteinnretningene.