NO842724L - Seismisk pulsgenerator for et borehull - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en seismisk pulsgene-rator for dannelse av seismiske pulser i borehuller.

De fleste kjente fremgangsmåter og anordninger for frembringelse av slike seismiske pulser er basert på anvendelse av eksplosive ladninger, piezoelektriske vibratorer, elektriske gnister o.l., som frembringer et seismisk signal i et borehull som vanligvis er fylt med vann. S-bølger av de derved frembrakte signaler trenger ikke gjennom væskemedier, og av den grunn er slike kjente fremgangsmåter ikke egnet for frembringelse av S-bølger.

Klemanordninger for borehuller, som er i stand til å frembringe både P- og S-bølger er generelt basert på et mekanisk støt. Kjente anordninger blir enten aktivert manuelt ved hjelp av kabler eller stenger eller elektrisk aktivert ved hjelp av solenoider og magneter. Men begge typer er forholdsvis ruvende og krever store borehullsdiametre. De er også forholdsvis svake, noe som i sin tur betyr at det er nødvendig med en forholdsvis høy tetthet av borehuller. Disse aspekter fører til at kjent utstyr er uøkonomisk å anvende i innledende geologiske undersøkel-ser .

Et formål med oppfinnelsen er å frembringe en anordning

som er i stand til å frembringe både P- og S-bølger i en ønsket dybde i et hull boret i stein, jord, betong o.l. medier.

Et annet formål med oppfinnelsén er å eliminere ulempene som opptrer når anordningen styres ved hjelp av kabler, stenger o.l. fra bakken, ulemper som øker med dybden i et borehull.

Et formål er også å frembringe en anordning som er i stand til å frembringe akkurat ett eneste støt hver gang anordningen aktiveres.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er ved behov å frembringe en tilsvarende puls som den foregående på en slik måte

at pulsene stadig kan gjentas.

Enda et formål med oppfinnelsen er å sikre direkte over-føring av en puls som er dannet av anordningen til veggene i et borehull ved anvendelse av et klemelement som kan festes godt til borehullveggen.

Et formål med oppfinnelsen er det også å frembringe en puls som er betydelig mer effektiv enn de som frembringes ved hjelp av hånd- eller elektrisk drevne anordninger.

Oppfinnelsen kan også anvendes i borehuller med små dimen-sjoner, f.eks. i huller hvis diameter er 56 mm, noe som er en standard borehulldimensjon i geologiske undersøkelser, i det minste i Europa.

Enda et formål med oppfinnelsen er å frembringe en puls, enten oppover- eller nedoverrettet i hullet, et trekk som er meget viktig ved S-bølgeanalyse.

Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe en anordning for påvisning og overføring av støtmomentet opp til bakken.

I tillegg er anordningen ifølge oppfinnelsen lett av vekt og derved enkel å transportere.

Et siste formål med oppfinnelsen er å frembringe en anordning som er i stand til å hindre vannet i et borehull fra å trenge inn i anordningen, noe som ville ha redusert energien ved et støt betydelig.

Ovennevnte formål er oppnådd ved hjelp av en seismisk puls-generator ifølge oppfinnelsen som omfatter en langstrakt, rør-formet enhet som kan innsettes i et borehull og som består av et hammerelement og et klemelement, hvor hammerelementet omfatter en hammer som skal treffe en ambolt og klemelementet omfatter minst ett låse- eller klemorgan som tjener til å klemme fast anordningen i et borehull i ønsket nivå, idet anordningen er kjennetegnet ved at hammerelementet er utstyrt med et dobbeltvirkende hydraulisk stempel hvis stang i dens frie ende har en låseklokke for låsing av seg selv under stempelslaget i klemtappen til en fjærbelastet hammer og stempelets returslag frigjøres fra inngrep med klemtappen.

I en foretrukket utførelsesform er klemelementet eller

-legemet utstyrt med et kileelement som er montert på et hydraulisk forskyvbart stempel og som har dets kileflater i aktivt inngrep med kileflatene på låse- eller ekspansjonsplaten, slik at når kileelementet forskyves i klemelementets lengderetning

beveges den fjærbelastede ekspansjonsplate radialt utover fra klemlegemet.

Andre kjennetegn ved oppfinnelsen er angitt i de etter-følgende krav 3-7.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer detaljert i det etter-følgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser en gavl av anordningen ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser et sideriss av gavlen i fig. 1.

Fig. 3 viser et snitt etter linjen III-III i fig. 1.

Fig. 4 viser et snitt etter linjen IV-IV i fig. 2.

Fig. 5 viser det midtre parti av anordningen ifølge oppfinnelsen .

Fig. 6 viser et snitt etter linjen VI-VI i fig. 5.

Fig. 7 viser den andre gavl i anordningen ifølge oppfinnelsen . Fig. 8 viser et styrekabel-koplingselement for anordningen ifølge oppfinnelsen.

Fig. 9 viser et snitt etter linjen IX-IX i fig. 8.

Fig. 10-13 viser i større skala en detalj ved oppstilling og utløsing av hammeren. Fig. 14 viser en kombinasjon av fig. 1, 5 og 7 av anordningen ifølge oppfinnelsen.

Først vil formgivningen av anordningen ifølge oppfinnelsen bli forklart. Anordningen ifølge oppfinnelsen er et langstrakt sylindrisk element eller legeme, som omfatter to deler eller legemer som er forbundet med hverandre, nemlig et klemlegeme 16 og et hammerlegeme 27. Klemlegemets frie ende er utstyrt med en endepropp 8, som er utstyrt med et vanntett elektrisk koplingsstykke 7 for en støtmikrobryter 9 som er anordnet i endeproppen. Endeproppen er avtettet mot klemlegemet 16 ved hjelp av pakninger 10 som er trykket an mot klemlegemet 16 ved hjelp av en festebolt 11. Festebolten 11 er utstyrt med en gjennomgående passasje som står i forbindelse med en kanal 2 for levering av hydraulisk væske i endeproppen. Endeproppen 8 er dessuten utstyrt med en annen kanal 1 for hydraulisk væske, som i sin tur står i forbindelse med respektive kanaler i legemet 16. I endeproppen 8 er kanalenes 1 og 2 ender utstyrt med pakninger 22.

Endeproppen 8 i den ovenfor beskrevne anordning er utstyrt med et koplingselement 4 for styrekabel, utstyrt med en bryter 5, som er bestemt for det elektriske koplingsstykke 7 og hvorfra det går en elektrisk ledning til bakken sammen med en kombinert instrumentledning 3. Endeproppen 8 er vist i tverrsnitt i fig.

9, og den er også utstyrt med kanaler 1 og 2 for hydrauliske kretser samt med en festebolt 6 for koplingselementet 4. På dette stadium skal det påpekes at dette koplingselement 4 alternativt kan anbringes i anordningens annen ende.

Klemlegemet 16 er utstyrt med et sylinderkammer hvori det er anordnet et frem- og tilbakegående stempel 12 med stang 13, som rager gjennom en pakningspropp 14 som er festet ved hjelp av en festebolt 15, fra sylinderkammeret til et tilstøtende glidekammer. I dette glidekammer er det anordnet et kileelement 17 festet til stempelstangen 13. Kileelementets 17 kileflater under-støtter kileflater på en tilknyttet ekspansjonsplate 19 på en slik måte at når kileelementet 17 glir forover (mot høyre i fig.

2) i glidekammeret, føres ekspansjonsplaten radialt utover fra elementet 16 ved virkningen fra kileflatene og mot virkningen fra fjærer 18. På ekspansjonsplatens motstående side er det på elementets omkrets festet en avstandsplate 20 ved hjelp av festebolter 21. Fjærene 18 er også festet til denne avstandsplate. Denne utforming er vist mer detaljert i fig. 4, som også viser

de hydrauliske kanaler 1 og 2 i legemets 16 side. Dimensjonene og formen på avstandsplaten 20 blir valgt avhengig av størrelsen på hullet som skal undersøkes.

Det ovenfor beskrevne klemlegeme 16 er festet til et hammerlegeme 27, hvorved skjøten er forseglet med pakninger 23. Skjøten er dessuten utstyrt med pakningsavstandsstykker 24, som er utformet med åpninger som flukter med munningene på trykkvæsketil-førselskanalene 1, 2. For å sikre skjøten er hammerlegemet 27 utstyrt med to monteringsdeler 25, 26 som er stivt forbundet med legemet. Klemlegemet 16 er festet til den ytre monteringsdel 25 ved hjelp av skrugjenger. Denne monteringsdel 25 er avtettet mot hammerlegemet 27 ved hjelp av pakninger 23 og 24. Den andre monteringsdel 26 er utstyrt med støtputer 30.

På den ene ende av monteringsdelen 26 er hammerens 29 slaghode anbrakt. Hammeren 29 omfatter et forholdsvis stort hammerlegeme som i den motstående ende i forhold til slaghodet er utstyrt med et smalere stangparti som ender i en hammerlåsetapp 32. I hammerens halsparti befinner det seg et sett fjærer 31

hvis ene ende danner anlegg mot hammerlegemet og hvis annen ende

i

danner anlegg mot låseklokkens 37 fremre flate, som danner en ende av kammeret hvori hammeren forskyves. Låseklokken 37 omfatter en ytre del 37 som er stivt forbundet med legemet 27, og en indre del 38 som er bevegelig på dette. Den indre låseklokkedel 38 er utformet med et hulrom for opptakelse av hammerlåse-tappen 32. Hulrommet er utstyrt med låsekuler 33 som klemmer bak rygger på hammertappen 32. Den indre låseklokkedel 38 er dessuten utstyrt med en låseklokketapp 35 som en fjær 39 danner anlegg mot. Den ytre låseklokkedel 37 er på sin side utstyrt med en annen låseklokketapp 36, som fjærens 39 annen ende danner anlegg mot.

Den indre låseklokkedels 38 andre endeområde i forhold

til låseklokkene 33 er utstyrt med en stopper 40 som skal hindre hammerstempelstangens endeparti, som beveger seg frem og tilbake inne i den indre del 38, i å slippe ut av den indre del 38.

En stempelstang 46 rager gjennom en stopperdel 41, som danner en forlengelse av låseklokken 37. Stopperdelen 41 er festet til legemet 27 ved hjelp av festebolter 43 og pakninger 42, pakningsavstandsstykker 44 samt festebolter 45 for disse. Stop-peren 41 danner den andre ende av forskyvningsområdet for stempelet 47, som er anordnet på stempelstangens frie ende. I legemet 27 løper trykkvæskekanalene 1 og 2 på en slik måte at kanalen

2 ender i sylinderkammeret nær stopperdelen 41, mens kanalen

1 ender nær den motstående ende av sylinderkammeret.

Den annen ende av sylinderkammeret består av en endepropp 50, som er anbrakt på legemet 27. Denne endepropp er utstyrt med pakninger 48, som tilsvarer klemelementets 16 pakninger 10, og med en festebolt 49 for pakningene, hvor bolten i sin tur tilsvarer klemelementets bolt 11. Denne endepropp 50 har samme form som klemelementets endepropp 8, slik at begge komponenter på egnet måte kan utstyres med et ledningskoplingselement 4.

Men i den utførelsesform som er vist i fig. 7 er endepluggen

50 utstyrt med en blindplugg 51, som er festet til endepluggen

50 ved hjelp av en festebolt 52. Blindpluggen 51 er dessuten utstyrt med en gjennomgående boring 53 for det elektriske koplingsstykke 7, når blindproppen 51 anvendes som ende for en ledning for tilkopling til anordningen.

Således omfatter anordningen ifølge oppfinnelsen, som påpekt i beskrivelsen ovenfor, to stort sett sylindriske deler, dvs. hammerlegemet 27 og klemlegemet 16. De frie ender av begge deler er tilsvarende utformet, slik at hver av anordningens ender kan utstyres med et ledningskoplingselement 4 og en blindpropp 51. Et slikt arrangement vil gjøre det mulig å frembringe en puls både nedad i hullet og oppad. De to kanaler 1 og 2 for hydraulisk væske rager langs sidene av begge deler fra del til del, hvorved avtetning sikres i skjøtene ved hjelp av pakningssyste-mer 10, 23, 48.

Kabelen 3 inneholder to tilførselsledninger for hydraulisk væske, og en elektrisk ledning for påvisning av en puls, samt eventuelt andre forbindelsesledninger. Den mekaniske forbindelse mellom hammerelementet 27 og klemelementet 16 består av en gummi-støtpute 30 som er anordnet på en slik måte at ved slag påvirker hammerelementets masse ikke overføringen av en puls til veggen i et borehull.

Bruk av anordningen ifølge oppfinnelsen foregår på følgende måte:

Når trykkvæske føres inn i kanalene, bevirker trykkvæske som kommer ut av kanalen 1 forskyvning av stempelet 12 til dets stilling lengst mot venstre (fig. 1 og 2). Som følge av stempelstangens 13 virkning beveges ved denne forskyvning kiledelen til dens stilling lengst til venstre, mens ekspansjonsplaten 19 trekker seg selv ved virkningen av fjærene 18 til dens stilling lengst inne. Samtidig tvinger trykket fra kanalen 1 stempelet 47 mot venstre, hvorved låseklokken 37 også beveges mot venstre mot virkningen av låseklokketappen 36 som trykker fjæren 10 sammen (fig. 10). Denne forskyvning mot venstre av låseklokken fortsetter og trykker derved fjæren 31 sammen inntil hammertappen 32 danner anlegg mot låseklokkekulene 33 i den indre låseklokkedel 38. Deretter fortsetter ikke låseklokkedelen forskyvningen, men den ytre del 37 beveger seg mot venstre i forhold til den. Fjæren 39, som er anordnet mellom låseklokketappene 35 og 36, strammes, og når forskyvningen fortsetter kommer kulene 33 inn i forsenkningene 34 i den ytre del 37 og tvinges inn i disse forsenkninger.

Hammertappene 32 er således i stand til å føre låseklokkekulene 33 mot den indre låseklokketapp 35. Etter at hammertappen 32 har passert dem faller låseklokkekulene igjen ut av sine forsenkninger bak tappen 32 og bevirker samtidig at den indre del

38 beveger seg i en viss grad sammen med den ytre del 37. Samtidig treffer tappens 32 ende stopperstangen 35, og forskyvningen

- i

stoppes.

Når denne situasjon er oppnådd vil trykk i anordningen

gi beskjed til operatøren på bakken at anordningen er belastet. Følgelig reverseres strømningen i kanalene på en slik måte at væsken på den annen side av stemplene 12 og 47 vil renne tilbake til en trykktank på bakken. Dette etterfølges av at kanalen 2 settes under trykk, noe som bevirker at stemplene 12 og 4 7 beveges samtidig mot høyre. Som følge av denne funksjon beveges kiledelen 17 mot høyre i kontakt med ekspansjonsplaten, hvorved kilevirkningen bevirker at ekspansjonsplaten rager radialt fra elementet 16 til inngrep med veggen i et borehull. Avstandsplaten 20 på den motstående side av ekspansjonsplaten tvinges mot den motstående vegg i borehullet. Som påpekt ovenfor velges avstands-platens 20 tykkelse og form avhengig av diameteren i et borehull som undersøkes. Derved kan anordningen lettvint anvendes i borehuller med varierende størrelse.

Stempelet 4 7 vil også beveges mot høyre, og når det danner anlegg mot den ene av stopperne 40 på den indre låseklokkedel 38, vil det trekke hele låseklokkeenheten 37, 38, hammeren 29 samt de sammentrykkete fjærer 31.

Samtidig fortsetter trykket å øke på venstre side av stempelet 12, noe som gjør at ekspansjonsplaten 19 trykkes enda fas-tere an mot veggen i et borehull.

Når stempelet 4 7 og stangen 48 beveger seg mot høyre (fig. 12 og 13), treffer låseklokkeenheten stopperdelen 41. Bevegelsen av den ytre del 37 stopper derved, men stempelet 47 fortsetter, og det gjør også den indre del 38 som er festet til låseklokkens stempelstang 46, hvorved den indre del trekker med seg hammeren 29 ved hjelp av låseklokkekulene 33. Når forskyvningen fortsetter, kommer låseklokkekulene 33 frem til forsenkningene 34 og faller ned i disse og frigjør deres inngrep med hammeren 29,

med det resultat at kraften fra fjærene 31 vil slynge hammeren 29 mot ambolten eller slaghodet 28 for frembringelse av en ønsket puls.

For å øke dette slag er hammeren 29 utstyrt med langsgå-ende spor 54 som letter passasje av luft i sporene (fig. 6).

Kiledelens 17 trege masse bevirker en meget fast kontakt mellom ekspansjonsplaten 19 og veggen i et borehull og mellom avstandsplaten 20 og veggen i borehullet.

I slagøyeblikket bryter en innebygget støtmikrobryter 9 den elektriske kontakt og aktiverer derved en måle- eller regist-reringsenhet på bakken.

Med stempelet 4 7 i stilling lengst mot høyre stopper stempelet og trykket øker. Dette angir for operatøren at støt har funnet sted og at trykk kan gjeninnføres i kanalen 1, samt at driftssyklusen kan startes igjen fra utgangsstillingen.

Beskrivelsen ovenfor befatter seg med en utførelsesform

av oppfinnelsen, som oppfinnelsen absolutt ikke er begrenset til. F.eks. er det angitt ovenfor at operatøren på bakken ut fra økningen i trykket kan trekke den slutning at anordningen er belastet og derved sette den andre hydrauliske krets under trykk. I den forbindelse skal det imidlertid forstås at opera-sjonen kan være helautomatisk.

Claims (8)

1. Signalanordning for frembringelse av en seismisk puls, omfattende en langstrakt, rørformet enhet for anbringelse i et borehull og bestående av en hammerdel (27) og en klemdel (16), hvor hammerdelen (27) omfatter en hammer (29) som skal treffe et slaghode- og klemdelen omfatter minst én hydraulisk ekspansjonsplate (19) som rager fra anordningens vegg og tjener til å låse anordningen i et borehull på ønsket nivå, karakterisert ved at hammerdelen (27) er utstyrt med et dobbeltvirkende hydraulisk stempel (47) hvis stang (46) på dens frie ende er utstyrt med en låseklokke (37,38) som under stempelets (47) slag danner anlegg mot en hammertapp (32) av den fjærbelastede hammer (29) og mot slutten av stempelets returbevegelse frigjøres fra hammertappen.

2. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved åt klemdelen (16) er utstyrt med en kiledel (17) som er anbrakt på et hydraulisk forskyvbart stempel (12) og som har dets kileflater aktivt forbundet med kileflatene på ekspansjonsplaten (19), idet forskyvningen av kiledelen i klemdelens (16) lengderetning bevirker at den fjærbelastede ekspansjonsplate (19) beveges radialt utover fra klemdelens (16) legeme.

3. Anordning i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at låseklokken (37,38) består av en indre del (38) som er fritt anbrakt på enden av en stang (46), og en ytre del (37) for relativ bevegelse sammen med den, idet den indre del (38) er utstyrt med et hulrom for opptakelse av hammertappen (32) og hvori det er anordnet låæklokkekuler (33), mens den ytre del (37) er utstyrt med forsenkninger (34) for låseklokkekulene (33), som danner inngrep bak hammertappen (32) og frigjøres fra inngrepet ved at de faller inn i forsenkningene (34) ved hjelp av den innbyrdes forskyvning av den ytre del (37) og den indre del (38).

4. Anordning i samsvar med krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at klemdelen (16) på ekspansjonsplatens (19) motstående side er utstyrt med en borttakbar avstandsplate (20) .

5. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at låseklokken (37,38) består av en ytre del (37) som er bevegelig inne i hammerdelen (27) og er i sin innervegg nær den ende som vender mot hammeren utstyrt med forsenkninger (34) for låseklokkekuler (33) og i av-stand fra disse forsenkninger utstyrt med en fastspent låseklokketapp (36), idet den indre del (38) er bevegelig anordnet inne i den ytre del (37), hvorved den indre del (38) som er atskilt fra låseklokkekulene er utstyrt med en låseklokketapp (36) for blokkering av innføringen av hammertappen (32), med forsenkninger for låseklokketappen (36) samt med en stopper (40) i den motstående ende i forhold til kulene for å hindre uttrekking av stempelstangen (46).

6. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at både klemdel- og hammer-dellegemene (16,27) er utstyrt med kombinerte tilførselskanaler (1,2) for hydraulisk væske, idet kanalene kommuniserer med til-førselseskanaler til et koplingselement (4).

7. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at de frie ender på både klemdelen (16) og hammerdelen (27) er utstyrt med beslag av samme form, og at anordningens koplingselement (4) er innrettet til å koples til en av de frie ender.

8. Anordning i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at skjøtområdet mellom klemdelen (16) og hammerdelen (27) er utstyrt med en støtdempende anordning (30).