DE4130695C2 - Einrichtung mit mindestens einer mittels Halte- und Übertragungskabel verfahrbaren Bohrlochsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit mindestens einer mittels Halte- und Übertragungskabel verfahrbaren Bohrlochsonde für eine periodisch wiederholbare Erzeugung von seismischen Impulsen.

Es ist allgemeiner Stand der Technik, Explosionsladungen als Quelle für seismische Wellen als Einzelladungen in Bohrlöchern zu verwenden. Bei solchen einzelnen Explosionsladungen ist es nachteilig, daß sie nur dann rauscharm an der Erdoberfläche aufgezeichnet werden können, wenn sie momentan eine bestimmte Mindestenergie abgeben. Diese ist im allgemeinen so stark, daß dadurch zwangsläufig Schäden an der Verrohrung bzw. Zementierung bzw. Bohrlochwandung selbst hervorgerufen werden. Verringert man andererseits die Ladungsmenge einer solchen Einzelladung, so wird das Signal/Rausch-Verhältnis geringer. Durch mehrfache Wiederholung kleiner Anregungen am gleichen Ort (Stapelung) wird das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert, ohne daß Schäden an der Bohrlochwandung erzeugt werden.

Aus "Hot Dry Rock/Geothermal Energy", Phase 2 B Final Report of the Camborne School of Mines Project, Volume 2, Editor R. H. Parker, Pergamon Press, Oxford, New York, Beÿing, Frankfurt, Sao Paulo, Sydney, Tokyo, Toronto, 1989, ist eine Einrichtung mit einer Bohrlochsonde bekannt, die bei der "cross-hole seismic method" angewendet wird, bei der seismische Signale zwischen zwei benachbarten Bohrlöchern übertragen werden, um zu erreichen, daß Hochfrequenzsignale, die vom aufgelockerten Boden an der Erdoberfläche unterdrückt würden, aufgenommen und ausgewertet werden können. Nachteilig ist, daß die Spezialzündkapseln freiliegend in Ausnehmungen der schienenförmigen Zündkapselhalterung befestigt sind und ihre Zündenergie von Zündleitungen erhalten, die in einer Kabelführung untergebracht sind, die seitlich an der Zündkapselhalterung befestigt ist. Nachteilig ist bei dieser Bohrlochsonde weiterhin, daß die Explosionsstärke der Spezialzündkapseln sehr eng begrenzt ist, weil sonst die Gefahr besteht, daß benachbarte Spezialzündkapseln beschädigt werden oder ungewollt zur Detonation gelangen. Weil Begrenzungsflächen in Bohrlochquerrichtung fehlen, wird nur ein geringer Teil der Detonationswirkung auf das das Bohrloch umgebende Gestein übertragen. Dadurch läßt sich auch das Verfahren der Stapelung nur unvollkommen anwenden.

Weiterhin ist aus der DE 39 26 622 A1 die eine Einrichtung mit mindestens einer an einem Halte- und Übertragungskabel verfahrbaren Bohrlochsonde für eine periodisch wiederholbare Erzeugung von seismischen Impulsen bekannt, wobei die untergliederte Bohrlochsonde aus einem Anschlußteil zur Verbindung mit dem Kabel, einem schlag- und druckfesten Rohrkörper zur Aufnahme eines Hydrophons, Zündleitungen sowie einem Träger für Mikrosprengkapseln besteht. Auch bei dieser Einrichtung ist es nachteilig, daß die Mikrosprengkapseln rundum nebeneinander und in mehreren Reihen in Längsrichtung untereinander und freiliegend in dem als Ladungsmagazin ausgebildeten rohrförmigen Träger untergebracht sind, so daß Beschädigungen und ungewollte Fehlzündungen benachbarter Mikrosprengkapseln auftreten können. Dies schränkt auch die mögliche Explosionswirkung der Mikrosprengkapseln als Quellenenergie zur Erzeugung von seismischen Wellen stark ein, zumal auch bei dieser Einrichtung energieverstärkende Begrenzungsflächen in Bohrlochquerrichtung fehlen, wodurch das Verfahren der Stapelung nur unvollkommen anwendbar ist. Zudem können die zur Bohrlochwandung hin offen liegenden Mikrosprengkapseln Schäden an der Bohrlochwandung oder an der Bohrlochverrohrung hervorrufen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, mit der die Nachteile des Standes der Technik vermeidbar sind und eine optimale Nutzung der Explosionsenergie jedes Einzelzünders gewährleistet ist, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Einzeldetonationen einen benachbarten Zünder beeinträchtigt, so daß die zugehörigen seismischen Spuren für eine Stapelung optimal genutzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Sonden- und Meßanordnungen sowie konstruktive und schaltungsmäßige Weiterbildungen der Einrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 22 enthalten.

Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt die Erzeugung von seismischen Sprengimpulsen, deren Intensität und örtliche Konzentrierung aussagekräftige Meßsignale in den Geophon-Emp­ fängern erzeugen. Diese sind in einfacher Weise mit den Quel­ lensignalen korrelierbar und vermitteln über Stapelung besonders aussagekräftige Beschaffenheitsangaben des Gebirgskörpers, wobei trotz der relativen Stärke der Einzelexplosionen keine Beeinträchtigungen benachbarter Sprengzünder erfolgen. Ursprungssignal und reflektierte Signale sind klar voneinander trennbar und mehrere Folgesignale erlauben wegen des identischen Auslöseortes, gleicher Explosionsintensität und hoher Zeitgenauigkeit, ergebnisverfälschende Rauschsignale durch Stapelung zu unterdrücken.

Die Einrichtung ist dafür ausgelegt, daß mehrere Bohrlochsonden verkettet werden können, um die Zahl der Einzelexplosionen als Signalgeber während einer Sondenfahrt entsprechend zu erhöhen, wie an sich aus der gattungsfremden US-PS 2 959 241 für Hochfrequenz- Signalgeber bekannt ist.

Außerdem können der Bohrlochsonde/den Bohrlochsonden der Ein­ richtung verkettete Geophone im gleichen Bohrloch nachgeordnet werden, um streckenparallele Strukturen aufzufinden, wie ebenfalls an sich aus der gattungsfremden US-PS 2 959 241 für Hochfrequenz- Signalempfänger bekannt ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung wird durch den gewählten vielgliedrigen Aufbau der Bohrlochsonde den an diese gestellten physischen Anforderungen (Explosionsfestigkeit) als auch sicherheitlichen Anforderungen (Auswahl, schaltungsmäßige An­ ordnung und schaltungsmäßige Zuordnung der elektrischen und elektronischen Komponenten innerhalb der Sonde) optimal gerecht, wobei eine Schaltung für Impulsgeber und -empfänger an sich aus der gattungsfremden US-PS 3 832 677 bekannt ist, die eine Prinzipschaltung für piezoelektrische Geber und Empfänger in Verbindung mit einer Bohrlochsonde offenbart.

Durch die Verwendung von druckdichten Verzögerungszündern spezieller Bauart in der erfindungsgemäßen Einrichtung, die einen optimalen Schutz gegen unbeabsichtigtes Zünden des benachbarten Zünders in der trommelartigen Zünderhalterung bietet, und durch die räumliche Trennung des Anschlußteils für weitere Sondenmodule zur Ausbildung eines variablen Druckraumes, wird eine Optimierung der Stärke der Explosion und der Übertragung der Explosionswellen auf das Gebirge und deren Weiterleitung in den Gebirgskörper ermöglicht, unter gleichzeitiger optimaler Schonung der Bohrlochwandung.

Der Zünderumschalter ermöglicht eine einwandfreie und sichere Abfolge der Einzelzündungen.

Durch die gleichzeitige Miterfassung der durch eine Explosion auftretenden Beschleunigungen werden exakte Zuordnungen der Quellensignale zu den reflektierten Signalen ermöglicht.

Bei einer Verkettung mehrerer Sondenmodule der erfindungsgemäßen Einrichtung kann das jeweils aktive Modul in einfacher Weise schaltungsmäßig ermittelt werden.

Die vorgeschlagene periodisch wiederholbare Erzeugung seismischer Impulse ermöglicht es gleichermaßen, erfolgreiche Durchschallungen zwischen benachbarten Bohrlöchern durchzuführen, deren Daten zu Tomogrammen verarbeitet werden können, sowie reflexionsseismische Messungen mit dieser Impulsquelle und einer Aufnehmerkette im gleichen Bohrloch vorzunehmen, um steilstehende Reflektoren, die von Aufnahmeketten auf der Erdoberfläche nicht erkannt werden können, zu kartieren.

Weitere Vorteile der Einrichtung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der konstruktiven und schaltungsgemäßen Merkmale der Einrichtung anhand der Zeichnung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bohr­ lochsondenanordnung der Einrichtung in einem Bohrloch.

Fig. 2, 3, 4 u. 5 eine Bohrlochsonde der Einrichtung in einer längsgeschnittenen Darstellung,

Fig. 6 ein mit der Bohrlochsonde über Kabel ver­ bundenes Anschlußteil,

Fig. 7 u. 8 den Fig. 4 und 5 entsprechende Teile der Bohr­ lochsonde in einer anderen Längs­ schnittdarstellung,

Fig. 9 einen Bohrlochsondenquerschnitt im Bereich der Fig. 3,

Fig. 10 u. 11 Bohrlochsondenquerschnitte im Bereich der Fig. 4 und 7,

Fig. 12 u. 13 Bohrlochsondenquerschnitte im Bereich der Fig. 5 und 8,

Fig. 14 einen abgewandelten Kupplungsteil in Längsschnittdarstellung,

Fig. 15 ein Blockschaltbild der Einrichtung und

Fig. 16 eine Querschnittsdarstellung eines Spezi­ alzünders mit Zünderhülse.

In Fig. 1 ist eine Bohrlochsonde 1 der erfindungsgemäßen Ein­ richtung in einem Bohrloch 2 abgebildet. Die Bohrlochsonde 1 ist über ein Halte- und Übertragungskabel 3 über einen Haspel 4 verfahrbar. Das Kabel 3 ist mit einer über Tage aufgestellten Meßstation 5 verbunden. Das Halte- und Übertragungskabel 3 ist in der im Beispiel verfahrbar ausgebildeten Meßstation 5 an eine Zündmaschine 6 und an eine Signalauswerteeinheit 7 anschließbar.

Der Bohrlochsonde 1 der erfindungsgemäßen Einrichtung ist eine mit Spezialzündern 12 bestückte Zündertrommel 13 (Fig. 8) als Mehrfachimpulsquelle zugeordnet; weitere Bohrlochsonden - im Beispiel sind zwei Sonden 1a und 1b dargestellt, die ebenfalls mit Mehrfachimpulsquellen ausgestattet sind - können der Bohrlochsonde 1 nachgeschaltet werden, so daß nur eine Bohrlochfahrt für mehrere Bohrlochsonden - im Beispiel für die Sondenkette aus den Sonden 1, 1a, 1b - erforderlich ist.

An die Bohrlochsondenkette 1, 1a, 1b der erfindungsgemäßen Einrichtung kann, wie im Beispiel der Fig. 1 abgebildet, über ein Halte- und Übertragungskabel 3a eine Geophonkette aus im Beispiel vier Geophonen G1, G2, G3, G4 angeschlossen sein, die ebenfalls mit der Signalauswerteeinheit 7 verbunden sind. Eine solche Zuordnung von Sondenketten 1, 1a, 1b und Geophonketten G1, G2, G3, G4 eignet sich besonders gut zur Ermittlung von bohrlochparallelen Strukturen. Eine solche Struktur ist im Beispiel durch eine Grenzfläche 2a schematisch wiedergegeben, die im Querschnitt abgebildet ist. Von der Explosionsquelle der Sonde 1b ausgehende Signalimpulse 7a werden an der Grenzfläche 2a reflektiert. Die reflektierten Signalimpulse 7b werden von den Geophonen G1, G2, G3, G4 empfangen und an die Signalauswerteeinheit 7 weitergeleitet.

Die Geophone G1, G2, G3, G4 können aber auch in bekannter Weise, hier nicht dargestellt, in Bohrlöchern untergebracht sein, die parallel zum Bohrloch 2 angeordnet sind, bzw. in Oberflächennähe vorgesehen sein.

In den Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 ist eine Bohrlochsonde 1 der erfindungsgemäßen Einrichtung abschnittsweise abgebildet. Diese Bohrlochsonde 1 weist einen vierteiligen Aufbau auf und umfaßt einen schlagfesten und druckdichten ersten Sondenteil D, einen schlagfesten zweiten Sondenteil E, einen schlagfesten dritten Sondenteil F und einen schlagfesten vierten Sondenteil G. Die Sondenteile D, E und G sind für sich weiter mehrfach un­ tergliedert, wobei die Einzelteile leicht montierbar bzw. demontierbar sind. Sondenteil F ist einteilig und mit den Sondenteilen D und E fest verbindbar. Sondenteil F bildet zusammen mit dem im Abstand angeordneten Sondenteil G eine Art Explosionskammer 80 im Bohrloch 2 (Fig. 1).

Im wesentlichen umfaßt der erste Sondenteil D einen Schalt­ elektronikteil 120 mit Eigenstromversorgung 31, einen Be­ schleunigungssensor 42 und einen Rückstellschalter 24, die schlagfest und druckdicht eingehaust sind. Im zweiten Sondenteil E sind im wesentlichen Zündleitungen 57, Übertragungsleitungen 56 sowie Spezialzünder 12 untergebracht. Die Zünderhülsen 108 der Spezialzünder 12 sind im dritten Sondenteil F, einer Zündertrommel 13, verlagert. Der Sondenteil G, der später als Nachläufer 80a bezeichnet ist, dient außerdem als Anschlußelement für weitere Bohrlochsonden, 1a, 1b . . . . 1n.

Einzelheiten des mehrfach gegliederten Aufbaus der Bohrlochsonde 1 werden nachfolgend erläutert:

Fig. 2 zeigt ein Anschlußteil 8, das aus einem Werkstück besteht, das zu einer Einsteckhülse 9, zu einem daran anschließenden Anschlagzylinder 9a und zu einem Einsteckzylinder 16 umgeformt ist, aus dem eine Einsteckhülse 17 herausgearbeitet ist. Über das Anschlußteil 8 wird die Bohrlochsonde 1 an das Halte- und Übertragungskabel 3 (Fig. 1) angeschlagen. Ein hier nicht dargestellter Kabelschuh des Kabels 3 wird dazu in die Einsteckhülse 9 eingesteckt und mit einer Kabelschuhhalterung 25 fixiert. Über den Einsteckzylinder 16 wird das Anschlußteil 8 bis zum Anschlagzylinder 9a in das nächste Teilstück der Sonde 1, einen Rohrkörper 10, eingeführt und über Halteschrauben 22 daran befestigt. Nuten 19 und Dichtringe 20 dichten die Außenfläche des Einsteckzylinders 16 gegenüber der Innenfläche des Rohrkörpers 10 ab. Einsteckhülse 17 umgreift eine Verlängerung 28a eines Halb­ zylinders 28, der ein weiteres Teilstück der Sonde 1 bildet und ebenfalls im Rohrkörper 10 untergebracht ist. Die Verbindung ist durch eine Halteschraube 23 gesichert. Im oberen Querschnitt des Rohrkörpers 10 ist ein halbzylinderförmiges Verschlußteil 38 vorgesehen, das teilweise in die Einsteckhülse 17 hineinragt. Durch das Verschlußteil 38 und die Verlängerung 28a wird ein Hohlraum 17a in der Einsteckhülse 17 gebildet. Vom Hohlraum 17a führt eine zentrische Bohrung 18 in den Einsteckzylinder 16, in dessen Tiefsten ein Schaltelement 24 untergebracht ist, das zum Rücksetzen der Logikfunktionen des Schaltungsteiles der Bohrlochsonde 1 dient. Eine Bohrung 21 im Einsteckzylinder 16 ist zur Aufnahme eines Magnetschlüssels (Magnet 94 in Fig. 15) vorgesehen, der die Betätigung des Schaltelementes 24 (Magnetschalter S9 in Fig. 15) veranlaßt.

Wie aus Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 3 weiterhin hervorgeht, ist der Halbzylinder 28 mit einer flachen Ausnehmung 37 versehen, die von einer Trägerplatine 27 abgedeckt wird, auf der SDS-Relaisteile 26 befestigt sind, die in einem Zwischenraum 26a untergebracht sind. Der Zwischenraum 26a (vergleiche auch die Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 9) wird auf seiner Längsseite von einem Prismakörper 29 begrenzt, der sich einmal gegen die Einsteckhülse 17 und zum anderen gegen eine weitere Einsteckhülse 47 abstützt, die Teil eines Verbindungszylinders 48 ist, der ein weiteres Teilstück der Bohrlochsonde 1 bildet. Die beiden Enden des Zwischenraumes 26a werden einmal durch das halbzylinderförmige Verschlußteil 38 und zum anderen durch ein weiteres halbzylinderförmiges Verschlußteil 39 begrenzt. Eine Arretierungsschraube 35 mit Abstandshaltern 36 fixieren die Trägerplatine 27 und stützen sie etwa mittig ab (Fig. 3). Im Halbzylinder 28 ist eine im Querschnitt (Fig. 9) quadratische Ausnehmung 30 vorgesehen, in der ein Batteriegehäuse 32 mit Batterien 31 untergebracht ist. Ausnehmung 30 ist zur Ausnehmung 37 hin über eine Abdeckplatte 33 verschlossen, die von Halteschrauben 34 gehalten wird. Die Einsteckhülse 47 umschließt den Halbzylinder 28 und ist damit über eine Halteschraube 40 verbunden. Ein verbleibender Hohlraum 53 dient zur Aufnahme eines Beschleunigungssensors 42, der mittels Halteschraube 41 mit dem Verbindungszylinder 48 verbunden ist. Der Beschleunigungssensor 42 enthält ein Triggerelement 43, 44, das aus einem Piezoelement 43, begrenzt von Isolationselementen 44, gebildet wird. Der Verbindungszylinder 48 ist mit Nuten 45 versehen, die Dichtringe 46 tragen und den Verbindungszylinder 48 gegenüber dem Rohrkörper 10 abdichten.

Wie Fig. 4 zeigt, verfügt der Verbindungszylinder 48 über einen Anschlagkragen 49, gegen den sich der Rohrkörper 10 sowie ein Rohrkörper 14, der ein weiteres Teilstück der Bohrlochsonde 1 bildet, abstützen. Rohrkörper 10 und Rohrkörper 14 sind über Halteschrauben 50 am Verbindungszylinder 48 befestigt. Der Verbindungszylinder 48 ist, wie der Querschnitt gemäß Fig. 10 sowie eine andere Längsschnittdarstellung der Bohrlochsonde 1 gemäß Fig. 7 verdeutlichen, mit Leitungsdurchführungen 54 für Übertragungsleitungen 56 versehen, die im Zentralbereich des Verbindungszylinders 48 untergebracht sind (Fig. 10). Im Außenbereich des Verbindungszylinders 48 sind weiterhin Leitungsdurchführungen 55 für Zündleitungen 57 angeordnet. Die Leitungsdurchführungen 54, 55 treten in einen Druckraum 52 aus, der vom Rohrkörper 14 begrenzt wird und über Bohrungen 51 mit der Spülungssäule im umgebenden Bohrloch kommuniziert, so daß darin Spülungsdruck herrscht. Die Durchführungen 54, 55 sind im Druckraum 52 mit Schutzkappen 56a versehen.

Der Druckraum 52 wird einmal vom Verbindungszylinder 48 und zum anderen von einem Verbindungszylinder 61, der ein weiteres Teilstück der Bohrlochsonde 1 bildet, begrenzt, der über eine Halteschraube 62 am Rohrkörper 14 befestigt ist (vergleiche hierzu auch die Querschnittsdarstellung von Fig. 11 und die andere Längsschnittdarstellung gemäß Fig. 7). Im zylindrischen Körper 61 ist ein Übertragungskabel 58 schräg durch einen Durchgang 59a hindurchgeführt und wird von einer Kupferpreßhülse 59 gehalten. Für die Zündleitungen 57 sind Bohrungen 63 als Durchgänge vorgesehen, welche mit einem Druckraum 64 verbunden sind, der durch eine Verjüngung des mittleren Teilstücks 61a des Zylinders 61 gebildet wird. Ein Drahtseilschlupf 60 (Fig. 11), der als Halteelement für einen Nachläufer 80a (Fig. 6) dient, ist in Nuten 60a durch einen Zünderträger 11 (Fig. 5 und 8) des Zylinders 61 und eine daran anschließende Zündertrommel 13, die ein weiteres Teil der Bohrlochsonde 1 bildet, hindurchgeführt. Der Druckraum 64 wird von einer Ummantelung 15, die ebenfalls ein weiteres Teil der Bohrlochsonde 1 bildet, verschlossen. Zünderträger 11 und Zündertrommel 13 weisen einen Durchgang 58a für das Übertragungskabel 58 auf.

Wie Fig. 5 zeigt, schließt die Zündertrommel 13 unmittelbar an den Zünderträger 11 an. In deren Außenbereich sind die Spezialzünder 12 konzentrisch angeordnet, wie die Querschnittsdarstellungen gemäß Fig. 12 und Fig. 13 zeigen. Die Spezialzünder 12 sind in Zünderbohrungen 65 (Zünderhalterung 11) sowie 65a (Zündertrommel 13) untergebracht. Über eine Zentralbohrung 68 und eine Befestigungsschraube 69 wird die Zündertrommel 13 an den Zünderträger 11 angeschlossen. Ein in einer Zentrierbohrung 66 geführter Zentrierstift 67 sorgt für eine Zentrierung. Der Anschluß der Zündleitung 57 an den Spezialzünder 12 erfolgt über eine Steckbuchse 71, die durch eine Zünderkappe 70 geschützt ist, wie aus Fig. 8 hervorgeht.

Die Spezialzünder 12 werden mittels Einschraubgewinde 11a in den Zünderträger 11 eingeschraubt, bevor die Zündertrommel 13 über die Spezialzünder 12 geschoben und am Zünderträger 11 befestigt wird. Dabei ist jeder Spezialzünder 12 von einem Schutzrohr 12a umgeben, das die Zünderbohrung 65a der Zündertrommel 13 voll ausfüllt.

In Fig. 6 ist der zur Bohrlochsonde 1 der erfindungsgemäßen Einrichtung gehörende Nachläufer 80a abgebildet, dessen Verbindung mit der Bohrlochsonde 1 über den bereits erwähnten Drahtseilschlupf 60 erfolgt. Der Zwischenraum zwischen der Zündertrommel 13 und dem Nachläufer 80a ist als Explosionsraum 80 vorgesehen, um eine unmittelbare Übertragung der Explosionswellen auf das Gestein in der Bohrlochwandung sicherzustellen. Die zweckmäßige Größe des Explosionsraums kann über den Drahtseilschlupf 60 in Versuchen ermittelt und dessen Länge entsprechend eingestellt werden. Der Nachläufer 80a besteht aus einem zylindrischen Körper 72 mit einem Übertragungskabelkanal 73 für das Übertragungskabel 58, das mittels einer Sicherungsschraube 73a in einer Ausnehmung 72a festklemmbar ist. In einer Führungsnut 77 ist der Drahtseilschlupf 60 untergebracht und wird dort von einer Arretierungsplatte 76 fixiert, die mit einer Arre­ tierungsschraube 78 gegen den zylindrischen Körper 72 anpreßbar ist. Ein Einsteckteil 74a des zylindrischen Körpers 72 ist in einen Rohrkörper 74 eingeführt und mit diesem über Halteschrauben 75 verbunden. Über eine Kabelschuhhalterung 79 sind an den Nachläufer 80a weitere Bohrlochsonden 1a, 1b, . . . 1n in die Bohrlochsonde 1 anschließbar.

In Fig. 14 ist eine andere Ausgestaltung des Verbindungszylinders 48 gemäß den Fig. 3 und 4 abgebildet, bei dem druckdichte Leitungsdurchführungen 81 an Zündleitungskanäle 82 anschließen, in denen Widerstände 83 untergebracht sind, die durch eine Isolationsschicht 84 gegen die Wandung des Zündleitungskanals 82 isoliert sind. Diese Widerstände 83 erhöhen die Zündsicherheit der Spezialzünder 12.

In Fig. 15 ist ein Schaltplan der erfindungsgemäßen Einrichtung für im Beispiel zwei Bohrlochsonden 1, 1a abgebildet. Die Signalauswerteeinheit 7 und die Zündmaschine 6 sind mit der Bohrlochsonde 1 über das Halte- und Übertragungskabel 3 verbunden. Das Halte- und Übertragungskabel 3 umfaßt eine Centerleitung 88, die zu einem Eingang E4 der Bohrlochsonde 1 führt, diese über einen Ausgang A4 wieder verläßt, zum Eingang E4 der Bohrlochsonde 1a gelangt, und diese gegebenenfalls über einen Ausgang A4 wieder verläßt, um eine oder mehrere weitere Bohrlochsonden, z. B. 1b, . . . 1n anzuschließen. Vergleichbare Eingänge und Ausgänge sind einer Shieldleitung 89 (Eingänge E2 und Ausgänge A2) zugeordnet. Eine Armorleitung 90 führt zu einem Anschluß E1 der Bohrlochsonde 1. Über einen Anschluß A1 führt eine Verbindungsleitung 90a zum An­ schluß E1 der Bohrlochsonde 1a. Anschluß A1 der Bohrlochsonde 1a dient zur Anbindung einer oder mehrerer weiterer Bohrlochsonden 1b, . . . 1n. Der letzte Ausgang A2 der Shieldleitung 89 ist bei dieser Schaltung, die für zwei Bohrlochsonden 1, 1a konzipiert ist, über eine Leitung 117 mit einem Ausgang A3 der Sonde 1a verbunden. Ausgang A3 führt über eine Verbindungsleitung 109 zu einem Eingang E3 der Bohrlochsonde 1a und weiter zum Ausgang A3 der Sonde 1 sowie deren Eingang E3. Falls eine oder mehrere weitere Bohrlochsonden 1b, . . . 1n Sonde 1a nachgeordnet sind, führt Ausgang A2 über Leitung 109 zum Eingang E2 der nächsten Sonde 1b und von deren Ausgang A2 über Leitung 117 zu deren Ausgang A3. Leitung 117 ist der jeweils letzten Sonde einer Sondenkette 1, 1a, 1b, . . . 1n zugeordnet.

Die Leitung 109 verfügt in den Sonden 1, 1a über Schalter S7, die die Schaltungsabläufe aktivieren, um einen der Spezialzünder 12 zu zünden, die im Zünderträger 11 und in der Zündertrommel 13 untergebracht sind und im Schaltplan mit Z1 bis Z6 bezeichnet sind. Die Centerleitung 88 (E4, A4) ist über eine Leitung 110 und einen Schalter S8 mit der Schaltelektronik (Trägerplatine 27) verbindbar. Die Armorleitung 90 (E1) ist über eine Leitung 118, eine Leitung 114, einen Kennwiderstand 92 (R7) und eine Kapazität 93 (c) an einen Verstärker 97 der Elektronikplatine 27 angeschlossen.

Dem Verstärker 97 ist über eine Leitung 115 ein Beschleuni­ gungssensor 42 zugeordnet. Zur Elektronikplatine 27 zählen weiterhin ein Optokoppler 98 mit Anschlüssen an die Armorleitung 90 (über Leitung 111) sowie an die Shieldleitung 89 über eine Leitung 112 und eine Zündleitung 113, die mit der Leitung 109 und der Leitung 117 über Schalter S7 verbindbar ist. Die Elektronikplatine 27 umfaßt weiterhin ein CMOS-Digitalteil 99 mit Zähler und Relaistreiber, eine Stromversorgung (Batterie 31) mit Sicherung Si1 sowie einen Magnetschalter S9 (Schaltelement 24 in Fig. 2), der über den Permanentmagnet 94 in Ausgangsstellung gebracht wird. Die Zündleitung 113 ist weiterhin über Stichleitungen 119 mit Schaltern S1 bis S6 verbindbar, die in Zündstellung über Widerstände R1 bis R6 mit den Spezialzündern 12, die in Fig. 15 die Einzelbezeichnungen Z1 bis Z6 tragen, im Zünderträger 11 bzw. in der Zündertrommel 13 verbunden sind. Eine weitere Leitung 116 ist mit der Masse der Sonde 1, 1a über Eingang B7 verbunden.

Der gesamte Schaltelektronikteil 120 der erfindungsgemäßen Einrichtung befindet sich druckgeschützt innerhalb jeder Bohrlochsonde 1, 1a, 1b, . . . 1n. Der Sondenrohrkörper 10, 14 hat zweckmäßig einen Außendurchmesser von 60 mm und einen In­ nendurchmesser von 54 mm.

Die elektrischen Übertragungsleitungen 56, 57 des Halte- und Übertragungskabels 3 werden oben über die drei druckdichten elektrischen Durchführungen E2, E4 in die Sonde 1, 1a eingeführt, zusätzlich wird der Gehäuseanschluß E1 gebraucht. Unten an der Sonde 1, 1a geben die drei druckdichten Durchführungen A2, A3, A4 und der Gehäuseanschluß A1 die Verbindungsleitungen 56, 57 an die jeweils nächste Sonde weiter.

Die Stichleitungen 119 der Zündleitungen 57 zu den Spezialzündern 12 werden über die druckdichten Durchführungen 55, die in Fig. 15 die Einzelbezeichnungen B1 bis B6 tragen, aus dem druckdichten Teil der Sonden 1, 1a herausgeführt. Weil die Schraubgewinde 101 der Spezialzünder 12 als elektrische Anschlüsse dienen, ist das Einschraubgewinde 11a im Zünderträger 11 mit einem weiteren Gehäuseanschluß B7 der Sonden 1, 1a verbunden. In dem Verbindungszylinder 48 (Fig. 14) sind innerhalb des Schaltelektronikteils 120 und vor dem Zünderträger 11 in den Zündleitungskanälen 82 mit den sechs druckdichten Durchführungen 81 die Sicherheitswiderstände 83, die vorzugsweise 60 Ohm haben, eingebaut.

Wie aus Fig. 15 zu ersehen ist, erfolgt die Umschaltung auf die verschiedenen Zünder Z1 bis Z6 mit den Relais-Umschaltern S1 bis S6. Die digitale Schaltelektronik der Elektronikplatine 27 mit dem Optokoppler 98 im Eingang erkennt den Zündstromimpuls, schaltet nach der Detonation den verschossenen Zünder Z1 ab und schaltet auf den nächsten Zünder Z2 um. So werden alle sechs Zünder Z1 bis Z6 der Reihe nach gezündet. Nach der Detonation des sechsten Zünders Z6 der Sonde 1 wird Schalter S7 umgeschaltet und übergibt damit weitere Zündungsanstöße an die jeweils nächste Sonde 1a, 1b, . . . 1n.

Alle Schalter S1 bis S8 sind in Fig. 15 in ihrer Ausgangsstellung gezeichnet. Diese Ausgangsstellung wird mit dem "Magnetischen Schlüssel" (Permanentmagnet 94) und dem Magnetschalter S9 geschaffen, wenn die Sonde 1, 1a erstmalig oder für weitere Einsätze mit den Zündern Z1 bis Z6 bestückt wird. Sie kann mit einem Ohmmeter überprüft werden, indem an den Zünderanschlüssen (Einschraubgewinde 11a, Fig. 8) der 60-Ohm-Widerstand gegenüber Masse gemessen wird. Weil in der Ausgangsstellung keiner der Relais-Umschalter S1 bis S6 zu den Zündern Z1 bis Z6 geschlossen ist, kann der erste Zündimpuls keinen der Zünder Z1 bis Z6 zünden. Der erste Zündimpuls fungiert vielmehr als eine Art Initiator der Sonde 1, 1a, der den Zünderschalter S1 und außerdem auch Schalter S8 schließt. Mit dem Schalter S8 wird der für die jeweilige Sonde 1, 1a typische Kennwiderstand R7 auf die Signalader (Centerleitung 88) geschaltet, solange die Sonde 1, 1a aktiv ist. Bei verketteten Sonden 1, 1a wird der Übergang der Schaltfunktion auf die nächste Sonde von einem "Leerschuß" markiert. Nachdem der letzte Zünder Z6 einer Sonde 1, 1a, 1b abgeschossen und die Schaltfunktion an die nächste Sonde weitergegeben ist, schaltet der Schalter S8 ebenfalls wieder frei.

Beschleunigungssensor 42 erfaßt in jeder Sonde 1, 1a die bei der Detonation auftretenden Beschleunigungen und ermöglicht damit deren exakte zeitliche Zuordnung. Das Signal gelangt über die Leitung 115 zu dem Operationsverstärker 97, wird dort verstärkt und unmittelbar nach dem Zündimpuls über Leitung 110 auf die Centerleitung 88 gegeben. Übertage kann dieses Signal dann in einen Analogkanal der Signalauswerteeinheit 7 eingespeist werden.

Der gesamte Schaltelektronikteil 120 der erfindungsgemäßen Einrichtung wird von den Batterien 31 mit im Beispiel 3 Volt Spannung versorgt. Vor dem Bestücken der Sonden 1, 1a mit den Zündern Z1 bis Z6 wird der Schaltelektronikteil 120 auf die Anfangsstellung zurückgestellt. Damit sind die Relais-Umschalter S1 bis S6 über die 60-Ohm-Widerstände 83 auf Masse (GND) geschaltet und das Einschrauben der Zünder Z1 bis Z6 kann stromlos und damit gefahrlos erfolgen.

Durch eine hohe Spannungsfestigkeit von 4000 Volt eff. sowohl der Schalterkontakte als auch des Optokopplers 98, sind zerstörerische Spannungsüberschläge von der Zündspannung, die um 700 Volt beträgt, in den Schaltelektronikteil 120 ausgeschlossen. Umgekehrt kann ein Defekt im Schaltelektronikteil 120 nicht von selbst eine Ladung zünden. Dies wird durch einen sehr sorgfältigen mechanischen Aufbau und sichere Befestigungen gewährleistet. Sollte dennoch ein Fehler auftreten, ergibt die niedrige Betriebsspannung im Schaltelektronikteil 120 von 3 Volt, zusammen mit den Sicherheitswiderständen 83 von 60 Ohm einen maximalen Fehlerstrom von 50 mA, der mit Sicherheit keinen der Spezialzünder Z1 bis Z6 zünden kann.

Weil die Sicherheitswiderstände 83 aber betriebsmäßig von dem Zündstromimpuls belastet werden, müssen sie gewisse spezifische Spannungsfestigkeiten und Impulsfestigkeiten besitzen. Die für das Beispiel ausgewählten zementierten Drahtwiderstände der Fa. Vitrohm halten diesen Belastungen stand, wie wiederholte Tests gezeigt haben. Der Widerstandskörper besteht aus einer Glasfaserkordel, auf der der Widerstandsdraht auf Abstand gewickelt ist. Durch diesen Aufbau hat der Widerstand 83 eine gewisse Plastizität, die den Einsatz auch bei starken Erschütterungen sicher macht.

Zum Anschluß einer Bohrlochsonde 1, 1a an einen in der Zeichnung nicht abgebildeten üblichen Koax-Bohrlochmeßkabelkopf wird die Armorleitung 90 der Stahl-Außenarmierung an den Anschluß E1 angeschlossen. Die Shieldleitung 89 (Abschirmung) wird mit Eingang E2 verbunden. Die Centerleitung 88 (Center Conductor) ist die Signalleitung und liegt am Eingang E4 an. Eingang E3 bleibt unbelegt. Die Zündmaschine 6 wird an das Halte- und Übertragungskabel 3 zwischen der Stahl-Außenarmierung 90 und der Abschirmung 89 angeschlossen.

Fig. 16 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltungsform des Spe­ zialzünders 12. Dieser besteht aus einer Zünderhülse 108, die in ihrem unteren Teil einen Verzögerungskörper 105 enthält, in dem ein Verzögerungssatz 104 sowie eine Bleiazidfüllung 106 enthalten sind. Darunter ist bis zum Boden eine Hexogenfüllung 107 vorgesehen. Im mittleren Teil ist eine Messinghülse 103 in der Zünderhülse 108 angeordnet, in der eine Zündpille 102 untergebracht ist. Darüber ist eine druckdichte Platine 87 angeordnet. Ein Zünderstecker 100 mit Anschlüssen an die druckdichte Platine 87 ist in dem oberen Teil der Zünderhülse 108 in eine Gießharzfüllung 96 eingebettet. Auf die Zünderhülse 108 ist eine Messinghülse 85 aufgeschoben mit dem Schraubgewinde 101 sowie einer O-Ringdichtung 86.

Als Spezialzünder 12 (Z1-Z6) ist die beschriebene Sonderbauform von druckfesten U-Zündern der Fa. Dynamit Nobel gut geeignet. Ihre Zündverzögerungszeit beträgt 100 ms. Diese Verzögerungszeit empfiehlt sich, um eine zeitliche Trennung zwischen dem Zündstrom und der nachfolgenden Explosion zu erreichen. Es ist möglich, mit dem gleichen Halte- und Übertragungskabel 3 die Zündimpulse und das ungestörte Abrißsignal zu übertragen. Die sechs Spezialzünder 12 werden zunächst in das Einschraubgewinde 11a des Zünderträgers 11 eingeschraubt, bevor die Zündertrommel 13, deren Zünder­ bohrungen 65a mit den Schutzrohren 12a versehen sind, als Schutz über die Zünder 12 geschoben und arretiert wird.

Claims (22)

1. Einrichtung mit mindestens einer mittels Halte- und Übertragungskabel verfahrbaren Bohrlochsonde für eine periodisch wiederholbare Erzeugung von seismischen Impulsen, wobei die untergliederte Bohrlochsonde aus einem Anschlußteil zur Verbindung mit dem Halte- und Übertragungskabel, einem schlag- und druckfesten Rohrkörper zur Aufnahme eines seismischen Sensors und von Schaltmodulen und Zündleitungen sowie einem Träger für Spezialzünder besteht, einen weiter untergliederten, leicht montier- und demontierbaren Aufbau hat und wie folgt unterteilt ist:

• a) in einen mit dem Anschlußteil (8) verbundenen schlagfesten und druckdichten ersten Sondenteil (D) zur Aufnahme eines Schaltelektronikteils (120) mit Eigenstromversorgung (31), eines Beschleunigungssensors (42) als seismischen Sensor, eines Rückstellschalters (24) und von Sicherungselementen (83, R7, C, S1-S8, Si1),
• b) in einen schlagfesten zweiten Sondenteil (E) zur Aufnahme, Halterung und Führung der Halte-und Übertragungskabel (3, 54, 55), der Zündleitungen (57), von Übertragungsleitungen (56) und der Spezialzünder (12),
• c) in einen schlagfesten dritten Sondenteil (F, 13) zur Aufnahme von Explosionsladungsträgern in Form von Zünderhülsen (108) der Spezialzünder (12) sowie
• d) in einen derart im Abstand vom dritten Sondenteil (F, 13) angeordneten vierten Sondenteil (G, 80a), daß zwischen den beiden letzteren Sondenteilen (F, 13; G, 80a) ein Explosionsraum (80) zur Verfügung steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bohrlochsonden (1, 1a, 1b; . . . 1n) zu einer Son­ denkette verbunden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Bohrlochsonde (1) oder der Sondenkette (1, 1a, 1b; . . . 1n) eine Geophonkette (G1, G2, G3, G4) nach­ geordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde (1, 1a, 1b; . . . 1n) aus einem an das Anschlußteil (8) anschließenden ersten Rohrkörper (10) gebildet ist, der einen Hohlraum (17a) mit dem Rückstellschalter (24) sowie einen Hohlraum (26a) für eine Elektronikplatine (26, 27) und einen Hohlraum (53) mit Triggerelementen (43, 44) enthält, der Rohrkörper (10) über einen Verbindungszylinder (48) mit einem weiteren Rohrkörper (14) verbunden ist, der einen über Bohrungen (51) mit der Spülungssäule in Verbindung stehenden Druckraum (52) umschließt, in dem die Zündleitun­ gen (57) und die Übertragungsleitungen (56) verlegt sind, der zweite Rohrkörper (14) über einen Verbindungszylinder (61) mit einer Ummantelung (15) verbunden ist, die einen Druckraum (64) für ein Übertragungskabel (58) und die Zündleitungen (57) enthält, und der Verbindungszylinder (61) als Zünderträger (11) für mehrere Zünderanschlüsse (65, 11a) der Spezialzünder (12) ausgebildet ist und die Zünderhhülsen (108) der Spezialzünder (12) in Bohrungen (65a) einer Zündertrommel (13) geführt sind, die an dem Zünderträger (11) befestigbar ist, im Abstand von der Zündertrommel (13) ein Nachläufer (80a) angeordnet ist, der über einen Drahtseilschlupf (60) mit der Sonde (1) einen Explosionsraum (80) einschließend verbindbar ist und der Nachläufer (80a) mit einer weiteren Bohrlochsonde (1a) elektrisch und meßtechnisch verbindbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußteil (8) aus einer Einsteckhülse (9) be­ steht, an die sich ein Einsteckzylinder (16) anschließt, der in dem ersten Rohrkörper (10) druckdicht unterge­ bracht ist und mit einer weiteren Einsteckhülse (17) versehen ist, die den Hohlraum (17a) umschließt, in dem der Rückstellschalter (24) untergebracht ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (26a), in dem eine Trägerplatine (27) sowie SDS-Relaisteile (26) unterge­ bracht sind, im Rohrkörper (10) durch einen Halbzylinder (28) und einen prismatischen Körper (29) begrenzt wird und der Halbzylinder (28) eine Ausnehmung (30) enthält, in der die Eigenstromversorgung (31) untergebracht ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im Rohrkörper (10) druckdicht untergebrachte Verbindungszylinder (48) den Hohlraum (53) mit einer Einsteckhülse (47) umschließt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußteil (8) Leitungsdurchführungen (E2, E3, E4) enthält, der Verbindungszylinder (48) mit druckdichten Leitungsdurchführungen (54, 55) versehen ist, der Verbindungszylinder (61) Leitungsdurchführungen (63) enthält sowie der Zünderträger (11) mehrere Zünderbohrungen (65) mit Einschraubgewinde (11a) und die Zündertrommel (13) mehrere Zünderbohrungen (65a) mit Schutzrohr (12a) aufweisen.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der der Bohrlochsonde (1) nachge­ ordnete Nachläufer (80a) aus einem zylindrischen Körper (72) und einer Einsteckhülse (74), die als Anschlußteil für eine weitere Bohrlochsonde (1a) dient, besteht.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drahtseilschlupf (60) im Verbindungszy­ linder (61) der Bohrlochsonde (1) gehaltert ist.

11. Einrichtung nach einem der Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungszylinder (61) einen Durchgang (59a), die Zündertrommel (13) einen Durchgang (58a) sowie der zylindrische Körper (72) einen Durchgang (73) für das Übertragungskabel (58) aufweisen.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungszylinder (48) mit Zündleitungskanälen (82) versehen ist, die eine Isola­ tionsschicht (84) aufweisen und in denen Widerstände (83) zur Erhöhung der Zündsicherheit der Spezialzünder (12) untergebracht sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Elektronikteile (97, 98, 99, 31) des Schaltelektronikteils (120) einer Bohrlochsonde jeweils einerseits über Leitungen (112, 113, 109, 117, 89; 111, 114, 90, 90a, 118) mit einer Zündmaschine (6) verbindbar sind, und der Beschleunigungssensor (42) über Leitungen (115, 110, 88) mit einer Auswerteeinheit (7) verbindbar ist, wobei der Schaltelektronikteil (120) einer Bohrlochsonde jeweils aus einem Verstärker (97) für das Beschleunigungssensorsignal, einem Optokoppler (98) sowie einem CMOS-Digitalteil (99) und aus der Eigenstromversorgung (31) besteht, und der Schaltelektronikteil (120) andererseits über Zündleitungen (112, 113, 119, 55) mit den Spezialzündern (12, Z1 bis Z6) verbindbar ist, wobei jeder Zündleitung (119, 55) Schalter (S1 bis S6) und Sicherheitswiderstände (83, R1 bis R6) zugeordnet sind und die Zündleitungen (119, 113) über eine Leitung (109), eine Überbrückung (117) und Schalter (S7) mit der Leitung (89) verbindbar sind und die Leitung (90) über die Bohrlochsonden (1, 1a, 1b), Leitungen (116) sowie die Zünderträger (11) mit den Spezialzündern (12, Z1 bis Z6) und über die Leitungen (118, 90a) sowie die Leitungen (111) mit den Optokopplern (98) sowie die Leitungen (114) mit den Verstärkern (97) sowie Leitungen (115) mit den Beschleunigungssensoren (42) verbindbar sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochsonde (1) über ein oder mehrere Halte- und Übertragungskabel (58) mit Übertragungsleitungen (56, 90a, 89, 109, 88) mit einer oder mehreren weiteren Bohrlochsonden (1a, 1b, . . . 1n) verbindbar ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1 bis S8) über den Schaltelektronikteil (120) und einen Magnetschalter (S9) und einen Magnet (94) in ihre Ausgangsstellung rück­ stellbar sind.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1 bis S6) über jeweils einen Zündimpuls über die Zündmaschine (6) in Folge schaltbar sind und der nächste Zündimpuls über den Schalter (S7) schaltbar ist, um den Folgeschaltkreis scharf zu machen.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Zündimpuls von der Zünd­ maschine (6) der Schalter (S8) betätigbar ist und über den Beschleunigungssen­ sor (42) Beschleunigungssignale in einen Analogkanal der Auswerteeinheit (7) übermittelbar sind.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kennwiderstand (R7) in jedem Schaltelektronikteil (120) vorgesehen ist zur Identifizierung der je­ weils schußbereiten Bohrlochsonde (1, 1a, 1b . . . . 1n).

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der druckdichte Spezialzünder (12) mit einem Zündverzögerungssatz von 100 ms ausgerüstet ist.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Vorimpuls der Zündma­ schine (6) Zünderschalter (S1) und Schalter (S8) schließbar sind.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (S8) über den Zündimpuls der Zündmaschine (6) für den jeweils letzten Spezial­ zünder (12) einer Bohrlochsonde (1, 1a, 1b, . . . 1n) freischaltbar ist.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1 bis S6) über die Sicherheitswiderstände (R1 bis R6) auf Masse (GND) schaltbar sind, bevor das Einschrauben der Spezialzünder (12) in den Zünderträger (11) erfolgt.