DE3503488A1

DE3503488A1 - Verfahren und einrichtung zur echometrischen ausmessung einer unterirdischen kaverne

Info

Publication number: DE3503488A1
Application number: DE19853503488
Authority: DE
Inventors: Ernst 3014 Laatzen Nolte
Original assignee: Prakla Seismos GmbH
Current assignee: Geco Prakla GmbH
Priority date: 1985-01-30
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1986-07-31
Also published as: DE3503488C2

Description

Verfahren und Einrichtung zur echometrischen
Ausmessung einer unterirdischen Kaverne Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur echometrischen Ausmessung einer unterirdischen Kaverne mit Hilfe von Ultraschall sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.
Unterirdische Hohlräume werden in den letzten Jahren verstärkt durch Aussolung gewonnen. Insbesondere dient die Herstellung dieser Hohlräume zur Lagerung von Rohölen und anderen Kohlenwasserstoffen. Bei der Aussolung derartiger Hohlräume ist es wünschenswert, die räumliche Entwicklung der Kaverne im Verlaufe des Solprozesses zu überwachen und nach Fertigstellung und während des Betriebes laufend zu überwachen. Dazu ist es bekannt, Echomeßverfahren mit Hilfe von Ultraschall-Impulsen einzusetzen, mit deren Hilfe Form und Größe einer ausgesolten Kaverne bestimmt werden. Die mit einem dreh- und auskippbaren Meßkopf ausgerüstete Sonde wird an einem Kabel in die zu messende Kaverne eingelassen. Durch Echo-Laufzeitmessungen in horizontalen Ebenen, aber auch unter anderen Raumwinkeln, wird der Abstand zwischen Kavernenwand und Sonde gemessen.
Bei den bekannten Verfahren wird die Sonde nacheinander auf verschiedene Teufen gefahren und dann durch Drehung des 0 Wandlersystemes um 360 ein Rundsicht-Diagramm aufgenommen.
Nach Verfahren um eine vertikale Wegstrecke wird erneut ein Rundsicht-Diagramm aufgenommen. Sobald sämtliche Diagramme erstellt sind, kann unmittelbar ein Horizontalprofil für jede beliebige teufe und durch Zuordnung verschiedener Meßwerte der gleichen Horizontal richtung aber verschiedener Teufe mittelbar ein Vertikalprofil erstellt werden. Da der Tiefenabstand zwischen den horizontalen Rundsicht-Diagrammen im allgemeinen bei 5m oder 10m liegt, gibt ein derartiges Vertikalprofil nur ein grobes Bild des vertikalen Kavernenverlaufes.
Es hat sich gezeigt, daß in vielen Fällen, insbesondere bei der Überwachung bereits ausgesolter Kavernen, eine Ausmessung der gesamten Kaverne nicht mehr erforderlich ist. Es genügt häufig, bestimmte vertikale oder horizontale Winkelbereiche auszumessen, um z. B. Veränderungen der Kaverne an kritischen Stellen oder Hintersolungen zu erfassen. Beim erstmaligen Aussolen einer Kaverne ist es häufig auch nicht erforderlich, die gesamte Kaverne auszumessen, da dieses im übrigen eine relativ lange Zeit erfordert, während der die Aussolungsarbeiten ruhen müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit deren Hilfe ein schnelles Ausmessen von unterirdischen Kavernen, insbesondere für abgegrenzte Winkelbereiche der Kavernenwand, möglich ist, und das es erlaubt, horizontale und/oder vertikale Profile zu ermitteln.
Diese Profile sollen eine hohe Auflösung aufweisen und mit relativ großer Geschwindigkeit aufgenommen werden können.
Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 4 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung befinden sich in den Unteransprüchen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Meßsonde zwischen dem untersten und dem höchsten Meßpunkt kontinuierlich unter gleichzeitiger Aussendung und Empfang von Ultraschallimpulsen bewegt. Während der Bewegung erfolgt gleichzeitig eine horizontale Winkelbestimmung und eine Nachführung der Wandler in horizontaler Richtung bei Abweichen von einem vorgegebenen Winkel. Durch diese Maßnahme können unmittelbar vertikale Profile erzeugt werden, die sich auf einen ganz bestimmten Winkel gegenüber einer Bezugsrichtung beziehen. Für jeden horizontalen Winkel ist zwar eine eigene Meßfahrt erforderlich, sofern nicht mehrere in verschiedenen Winkeln angeordnete Wandler vorhanden sind, jedoch ist es nicht erforderlich, daß jeweils auf einer bestimmten Teufe zunächst ein Horizontal -Rundsichtdiagramm registriert wird, aus dem dann mittelbar ein Vertikalprofil errechnet wird.
Bei Beschränkung auf einen kleinen Winkelbereich bzw. einen bestimmten Winkel läßt sich damit ein sehr schnelles Ermitteln des gewünschten Vertikalprofils erreichen.
Vorzugsweise erfolgt die Nachsteuerung der Wandler in horizontaler Richtung mit Hilfe eines Magnetkompasses. Die durch die Eigendrehung des Tragseils bewirkte horizontale Verdrehung der Meßsonde bei einer Meßfahrt kann auf diese Weise eliminiert werden. Gleichzeitig ist kein Anhalten während der Meßfahrt erforderlich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Sonde, Fig. 2 zeigt ein Vertikaiprofil, das mit einer erfindungsgemäßen Sonde ausgemessen wurde.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die in Fig. 1 dargestellte Sonde an einem Bohrloch-Kabel in die teilweise oder ganz ausgesolte Kaverne herabgelassen und in kontinuierlicher Fahrt zwischen dem obersten und dem untersten Meßpunkt zur Aufnahme von Meßdaten in vertikaler Richtung bewegt. Wenn die Messung vom obersten zum untersten Meßpunkt vorgenommen wird, beginnt die Profilregistrierung vorzugsweise an der Decke. Die Sonde weist vorzugsweise drei Wandler systeme auf, nämlich ein System für Horizontalabtastung und zwei Systeme, die im Winkel von 900 gegeneinander versetzt sind, zur Ausmessung in 450 Winkelrichtung zur Horizontalrichtung. Die Meßwerte der drei Wandler werden unabhängig voneinander auf eine Auswerteapparatur übertragen. In der Startteufe der Messung, z. B. an der Decke, kann im wesentlichen nur das 450 nach oben gerichtete Wandlersystem Meßdaten der Decke aufnehmen. Bei Abwärtsfahren der Sonde werden die Meßdaten des aufwärts gerichteten Wandlers wegversetzt ähnliche Meßwerte wie der Horizontalwandler bzw. der nach unten gerichtete Wandler angeben. Die erhaltenen Meßwerte der drei Wandler können daher miteinander korreliert werden und ergeben so ein verbessertes Profil der Kavernenwand.
Insbesondere lassen sich auf diese Weise auch Hintersolungen erfassen, die mit einem einzigen Wandlersystem entweder gar nicht oder nur durch mehrere Meßfahrten mit unterschiedlichen Winkelstellungen erfaßt werden können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dafür gesorgt werden, daß die Ultraschall-Impulse immer senkrecht auf die Kavernenwand auftreffen, so daß störende Nebenechos aus der vertikalen Nachbarschaft der Schallauftrittpunkte vermieden werden. Dies kann dadurch vorgenommen werden, indem nur diejenigen Signale zur Auswertung herangezogen werden, die in ausreichender Amplitude von der Kavernenwand reflektiert werden.
Um Vertikalprofile eines konstanten Ablagewinkels von einem vorgegebenen Winkel zu erhalten, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Meßsonde während der Bewegung in vertikaler Richtung bei Abweichen von dem vorbestimmten Winkel in horizontaler Richtung nachgesteuert. Dadurch können Kabelverdrehungen, Eigenoszillationen und andere Drehstörungen vermieden werden. Das Verfahren läßt sich durch eine geeignete Servonachsteuerung, deren Sollwert sich aus der Abweichung von einem vorgegebenen Kompaßwert ergibt, realisieren. Es kann zur Winkelbestimmung entweder ein Magnetkompaß oder ein Kreiselkompaß verwendet werden. Letzterer ist immer dann von Vorteil, wenn Messungen durch die Wand einer Verrohrung hindurch vorgenommen werden müssen. Zur weiteren Lagestabilisierung kann ein Kreiselstabilisator eingesetzt werden.
Die Wandler können zwar unter bestimmten Winkelrichtungen fest in der Sonde eingebaut sein, vorzugsweise werden jedoch die nicht in horizontaler Richtung gerichteten Wandler in einem Meßkopf untergebracht, der unter einem Winkel von etwa 900 um die horizontale Achse schwenkbar ist. Damit lassen sich auch Messungen der Decke bis in den Nahbereich einer Verrohrung vornehmen. Desgleichen können Messungen in Vertikalrichtung gegen den Boden vorgenommen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur reine Vertikal-Profilmessungen durchgeführt werden, sondern es lassen sich auch Sektorenmessungen vornehmen, wenn während der Meßfahrt der Drehantrieb hin- und herschwenkend betätigt wird, so daß bei ausreichender Abstimmung zwischen Fahrgeschwindigkeit in vertikaler Richtung und Schwenkgeschwindigkeit Meßwerte über einen bestimmten Sektorenbereich gewonnen werden können. Damit erübrigt sich ein mehrfaches Durchfahren der Kavernen.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer Sonde in Schemadarstellung.
Die Sonde 1 weist einen Drehantrieb 2 auf, mit dessen Hilfe der die Wandler tragende Teil der Meßsonde in horizontaler Richtung gedreht werden kann. Die Drehung erfolgt in Abhängigkeit von dem vorbestimmten Ablagewinkel, der sich aus der Messung der Nordrichtung mit Hilfe eines Magnetkompasses 3 oder eines entsprechenden Kreiselkompasses ergibt. Unterhalb des Drehantriebs und des Kreisels ist ein Horizontalwandler 4 vorgesehen, der Ultraschall-Signale in horizontaler Richtung aussendet und empfängt. Nach unten schließt sich eine weitere Antriebseinheit zur Verschwenkung der darunter befindlichen Schrägsichtwandler an. Mit Hilfe dieses Antriebes 5 können die um 900 zueinander versetzten Wandler 7 und 8 in einer vertikalen Ebene verschwenkt werden. Der Wandler 8 ist für auswärts gerichtete Messungen und der Wandler 7 für abwärts gerichtete Messungen vorgesehen. Bei nicht verschwenkten Wandlern 7 und 8 stehen diese Wandler zur Horizontalrichtung in einem Winkel von jeweils 450. Vorzugsweise können beide Wandler gemeinsam geschwenkt werden, wodurch sich bei der Auswertung der Meßwerte der verschiedenen Wandler eine feste zeitliche oder räumliche Zuordnung der Meßwerte ergibt.
Die Wandler können mit verschiedenen Frequenzen betrieben werden, so daß sich die Meßwerte nicht gegenseitig stören, die Wandler können jedoch auch bei gleicher Frequenz im Multiplex-Betrieb erregt werden. Um völlig außerhalb der zu erwartenden Werte liegende Meßwerte auszuschließen, kann Jeder ermittelte Meßwert vor der Verarbeitung auf seine Signifikanz, d. h. die Prüfung seines Wertes auf Lage innerhalb eines Toleranzschemas, erfolgen.
Da die Sonde selbst nur einen relativ kleinen Querschnitt aufweist, kann die Form der Wandler, die gegenüber der Sondenachse um einen Winkel angeordnet sind, dem entsprechenden Schrägschnitt des Rohres entsprechen. Durch eine derartige ovale Gestaltung der Wandler kann deren Oberfläche besonders groß gewählt werden, wodurch die Richtcharakteristik verbessert wird.
Bei Profilmessungen durch eine Verrohrung wird die Wandlerfrequenz vorzugsweise auf die Wanddicke eingestellt. Damit läßt sich die Dämpfung innerhalb der Rohrwand beträchtlich verringern. Vorzugsweise entspricht die Wellenlänge der Wandlerfrequenz der halben Wanddicke.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich nicht nur bei der Verwendung von Ultraschallwandlern verwenden, sondern kann gleichfalls für die optische oder elektromagnetische Ausmessung von Kavernen verwendet werden. Bezugszeichenliste: 1 Meßsonde 2 Drehantrieb 3 Kompaß 4 Horizontalwandler 5 Kippantrieb 6 Kippgelenk 7 abwärts gerichteter Wandler 8 aufwärts gerichteter Wandler

Claims

Ansprüche: 1. Verfahren zur echometrischen Ausmessung einer unterirdischen Kaverne mit Hilfe von Ultraschall, bei dem eine Meßsonde mit einem Ultraschallsende-Empfangswandler in vertikaler Richtung durch die Kaverne bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde zwischen dem untersten und dem höchsten Meßpunkt kontinuierlich unter gleichzeitiger Aussendung und Empfang von Ultraschall impulsen bewegt wird, daß während der Bewegung eine horizontale Winkelbestimmung erfolgt und daß der Wandler bei Abweichen von einem vorbestimmten Winkel in horizontaler Richtung nachgesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbestimmung mit Hilfe eines Kreiselkompasses erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Durchfahrens der Kaverne mit Hilfe mehrerer Wandler mit festem oder einstellbarem Neigungswinkel gleichzeitig Profilmessungen in mehreren horizontalen und/oder vertikalen Winkelrichtungen vorgenommen werden.
4. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Meßsonde mit wenigstens einem Ultraschallsende-Empfangswandler und einer Einrichtung zur horizontalen Drehung des Wandlers sowie einer Winkelbestimmungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Winkelstellung des Wandlers in Abhängigkeit von der Abweichung von einem vorbestimmten horizontalen Winkel nachregelbar ist.
.5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbestimmungseinrichtung ein Magnetkompaß (3) ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbestimmungseinrichtung ein Kreiselkompaß ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (1) einen gegenüber der Achse drehbaren Kippteil aufweist, von dem ein Teil um eine horizontale Achse (6) schwenkbar ist, und daß auf diesem Kippteil wenigstens zwei Wandler (7, 8) angeordnet sind, deren Abstrahlachsen in einer vertikalen Ebene gegeneinander versetzt sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlachsen in der Ausgangsstellung des Kippteils um einen Winkel von 450 zur Sondenachse versetzt sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Endbereich ein in horizontaler Richtung abstrahlender Wandler vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlfläche der Wandler einem Schrägschnitt der 0 Sonde von 45 entspricht.
11. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler im Multiplexbetrieb nacheinander erregt werden.
12. Einrichtung nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsfrequenz für die einzelnen Wandler unterschiedlich ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechnereinheit vorgesehen ist, die die Meßwerte der einzelnen Wandler unter Berücksichtigung der vertikalen und horizontalen Winkelstellung der Wandler in eine Vertikalprofil-Darstellung umwandelt.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswahl der Meßwerte zur Verwendung als Rechnungswerte erfolgt, indem jeder Meßwert vorab auf seine Signifikanz geprüft wird.