DE69625519T2

DE69625519T2 - System zur verformungsüberwachung

Info

Publication number: DE69625519T2
Application number: DE69625519T
Authority: DE
Inventors: W. Evertson; S. Sacks
Original assignee: Carnegie Institution of Washington
Current assignee: Carnegie Institution of Washington
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: EP0877912B1; CN1200804A; US5900545A; DE69625519D1; HK1015451A1; CN1131416C; JP3386139B2; WO1997015804A1; EP0877912A4; CA2234852A1; ATE230102T1; EP0877912A1; CA2234852C; JPH11511566A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen und zum Feststellen von Verformungen und Deformationen in Festkörpern und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, die ausgebildet sind, um Verformungen innerhalb von unterirdischen Formationen festzustellen.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verformungsmessinstrument und ein Verformungsüberwachungssystem, die in großen unterirdischen Tiefen betrieben werden und die eine Gesteinsformationsbewegung messen können, ohne durch hohe Temperaturen in den Gesteinsformationen nachteilig beeinflusst zu werden.
Die Verwendung von Bohrloch-Verformungsmessgeräten und -systemen, um die Bewegung von unterirdischen Gesteinsformationen zu messen, ist bekannt. Viele verschiedene Verformungsmessgeräte und -systeme wurden für kommerziellen Gebrauch ausgedacht, aber die meisten haben Nachteile und Beschränkungen beim Betrieb, insbesondere bei extremen Bohrlochtiefen.
Ein bekanntes Bohrloch-Verformungsmessgerät umfasst ein elastisches Metallrohr, das in ein Bohrloch mit einem ausdehnungsfähigen Mörtel vorgespannt ist, so dass das Rohr der Deformation des Gesteins exakt folgt. Die Deformation von diesem wird durch hydraulische Mittel verstärkt und treibt einen kleinen, dünnwandigen Balg an, der wiederum einen elektrischen Messwandler antreibt. All die Leistung und Signale erreichen die Oberfläche durch ein elektrisches Kabel. Weltweit ist eine Zahl von diesen Vorrichtungen im Gebrauch.
Da jedoch kulturell induzierter Lärm mit der Tiefe abnimmt und da in vielen kritischen Gebieten, z. B. Tokio, die Alluvialdecke kilometerdick sein kann und da Erdbebenfehler in Tiefen blockieren, gibt es einen andauernden und steigenden Bedarf für empfindlichere Detektoren, die in Tiefen von mehreren Kilometern betrieben werden können, wo die Temperaturen zu hoch sind, dass Elektroniken für lange Zeitperioden funktionstüchtig bleiben.
SU-A-811068 zeigt ein flüssiges Verformungsmessgerät mit einem flüssigen Differentialdruckmesser, der zwischen zwei Kammern verbunden ist, von denen eine starr und die andere elastisch ist.
US-A-4598591 zeigt eine Vorrichtung zum Bestimmen der Volumenänderungen einer im Erdboden eingebetteten Zelle.
US-A-3858441 zeigt eine Vorrichtung zur Messung der mechanischen Eigenschaften vor Ort und Stelle für den Erdboden von Fundamenten, in denen eine aufblasbare Kammer in einem Bohrloch angeordnet ist und sich Leitungen von der Kammer erstrecken, um unter Druck stehendes Fluid zu ihr zu liefern und das Fluid zurückzuleiten. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Feststellen von Verformungen und Deformationen in einer unterirdischen Gesteinsformation der Erde bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: ein im wesentlichen eingeschlossenes Gefäß, das ausgebildet und angeordnet ist, um in ein Bohrloch eingefügt zu werden, welches sich in eine unterirdische Formation erstreckt; ein längliches Messrohr, das sich von dem Gefäß erstreckt und in Fluidverbindung damit an einem ersten Ende steht, wobei das Messrohr so eine Länge hat, dass sich ein zweites Ende davon im allgemeinen zur Erdoberfläche erstrecken kann, wenn das Gefäß in das Bohrloch eingefügt ist; und eine Messstruktur, die mit dem zweiten Ende des Messohrs gekoppelt ist; wobei das Gefäß derart ausgebildet und angeordnet ist, dass, wenn das Gefäß in das Bohrloch eingefügt ist, eine zum Gefäß übertragene Deformation von Festkörpern, die das Gefäß umgeben, eine Volumenänderung in dem Gefäß verursacht, welche wiederum das Fluid in das Messrohr zwingt, wodurch sich das Fluidvolumen in dem Messrohr ändert, wobei die Messstruktur ausgebildet und angeordnet ist, um eine Volumenänderung in dem Messrohr festzustellen, um dadurch die Deformation der Festkörper festzustellen; gekennzeichnet durch: ein längliches Kompensationsrohr, das zum Füllen mit Fluid dient und solch eine Länge hat, dass ein erstes Ende davon im allgemeinen an der Erdoberfläche angeordnet werden kann, wenn ein zweites Ende davon im allgemeinen angrenzend an das Gefäß angeordnet ist, wenn das Gefäß in das Bohrloch eingefügt ist, wobei das zweite Ende des Kompensationsrohrs geschlossen ist; und eine Kompensationsmessstruktur, die mit dem ersten Ende des Kompensationsrohrs gekoppelt ist und ausgebildet und angeordnet ist, um eine Volumenänderung in dem Kompensationsrohr festzustellen, um dadurch eine Kompensation von Änderungen in der Temperatur und/oder im Druck zu ermöglichen, die das Fluidvolumen in dem Messrohr beeinflussen.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt ein System zum Feststellen von Verformungen bereit, das bei unterirdischen Tiefen von mehreren Kilometern, wo die Temperaturen extrem hoch sind, wirksam betrieben werden kann.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt ein System zum Überwachen von Verformungen bereit, das von tief im Loch angeordneter Elektronik frei ist und genaue Messungen der Gesteinsformationsbewegung in Tiefen von mehreren Kilometern, wo die Temperaturen hoch sind, erzeugen kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Feststellen der Deformation und von Verformungen in unterirdischen Erdformationen bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen einer Messvorrichtung in ein Bohrloch in einer unterirdischen Formation, welche erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, wobei die Messvorrichtung ein Gefäß, ein erstes Rohr mit einem ersten Ende, das mit dem Gefäß gekoppelt ist und in Fluidverbindung damit steht, und mit einem zweiten Ende, das im allgemeinen an der Erdoberfläche angeordnet ist, umfasst, wobei das Gefäß und das erste Rohr mit Fluid gefüllt sind, wobei die Messvorrichtung eine Messstruktur einschließt, die mit dem zweiten Ende des ersten Rohrs gekoppelt ist; Bilden einer vorgespannten festen Passung zwischen Wänden des Bohrlochs und äußeren Wänden des Gefäßes, so dass die Deformation von Gesteinen und Festkörpern, die das Bohrloch umgeben, an die Wände des Gefäßes übertragen wird, welche wiederum Volumenänderungen in dem Gefäß und eine Fluidverschiebung in dem ersten Rohr erzeugen; und Feststellen des in dem ersten Rohr verlagerten Fluidvolumens durch Verwendung der Messstruktur, um die Deformation in der unterirdischen Formation zu messen; gekennzeichnet durch: Kompensieren von Umwelteinflüssen auf das Fluidvolumen in dem ersten Rohr zwischen dem Gefäß und der Erdoberfläche, indem ein zweites Rohr vorgesehen wird, das an seinem unteren Ende geschlossen ist und im wesentlichen die gleiche Länge, im wesentlichen das gleiche Volumen aufweist und mit dem gleichen Fluid wie das erste Rohr gefüllt ist, und Kompensieren der Messstruktur, die mit einem zweiten Ende des zweiten Rohrs gekoppelt ist, um eine Volumenverschiebung in dem zweiten Rohr festzustellen, welche mit der Volumenverschiebung in dem ersten Rohr verglichen wird.
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich mit Bezug auf Fig. 1, welche eine schematische Zeichnung eines Beispiels einer Messvorrichtung innerhalb eines Bohrloches in einer unterirdischen Formation ist, die mit einem Messsystem an der Oberfläche in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
Die Messvorrichtung, die allgemein mit 10 bezeichnet ist, umfasst ein elastisches Stahlrohr oder Gefäß 12, das in die Festkörper oder das Gestein am Ende eines Loches 13 vorgespannt ist, so dass es einer geringen Deformation in dem Gestein genau folgt. Das so ausgebildete Gefäß 12 ist mit einem Fluid 14 gefüllt und wird abgedichtet mit Ausnahme eines Auslassrohres 16 mit kleinem Durchmesser, das sich den gesamten Weg zur oder nahe bis zur Oberfläche 18 erstreckt. Ein ausdehnbarer Balg 20 ist mit einem Ende des Rohres 16, im allgemeinen an der Oberfläche 18, gekoppelt. Das Gefäß 12 und das Rohr 16 sind vollständig mit dem Fluid 14 gefüllt. Jede Deformation des Gefäßes 12 bewirkt, dass das Fluid 14 durch das Rohr 16 gezwungen wird und so eine Ausdehnung des Balgs 20 verursacht. Sobald die Deformation vorüber ist, wird der Balg in seinen normalen relaxierten Zustand zurückkehren. Die Bewegung des Balgs 20 kann durch irgendeinen positionsempfindlichen Messwandler 22, z. B. einen linearen variablen Differentialtransformator, oder eine Kapazitätsmessbrücke überwacht werden. Der Balg 20 und der Messwandler 22 definieren eine erste Messstruktur der Vorrichtung 10.
Das verwendete Fluid 14 kann jedes Fluid sein, das kompatibel mit der Struktur der Vorrichtung ist, wie in USP 3,635,076 beschrieben ist. Bevorzugt ist Silikonöl als geeignet für den Zweck der Erfindung gefunden worden, obwohl chloroformgesättigtes Wasser und andere Fluide verwendet werden können.
Die Vorrichtung 10 umfasst auch ein Rohr 24 mit im wesentlichen der gleichen Länge und dem identischen Durchmesser wie das Rohr 16. Das Rohr 24 ist ebenfalls mit dem Fluid 14 gefüllt. Dieses Rohr 24 endet oder ist an seinem Boden 25 geschlossen, und ein Balg 26 ist an seinem anderen Ende angeordnet. Ein Verschiebungsmesswandler 28, welcher identisch dem Messwandler 22 des ersten Rohrs 16 ist, ist mit dem Balg 26 verbunden. Der Balg 26 und der Messwandler 28 definieren eine Kompensationsmessstruktur der Vorrichtung 10.
Folglich umfasst die Messstruktur an der Oberfläche die ausdehnbaren dünnwandigen fluidgefüllten Balge 25 und 26, die mit einem zugehörigen linearen variablen Differentialtransformator oder einer variablen Kapazitätsmessbrücke oder anderen geeigneten Mitteln 22 bzw. 28 gekoppelt sind. Die Ausgangsspannungssignale von diesen Differentialtransformatoren werden digitalisiert, wobei üblicherweise 20 oder 24 Bit A/D Wandler verwendet werden, und die resultierenden Daten werden in einem Computer (nicht gezeigt) gespeichert. Das vom Balg 26 erzeugte Signal wird von dem vom Balg 20 erzeugten Signal subtrahiert, wobei die Funktion davon unten beschrieben wird.
Der Zweck des zweiten Rohrs 24 und des Balges 26 ist wie folgt: Da die Vorrichtung 10 in beträchtlichen Tiefen, d. h. in der Größenordnung einer Meile (ca. 1,6 km) oder sogar noch tiefer, installiert werden soll, ist das Rohr 16 lang und kann ein beträchtliches Volumen haben. Jede Temperatur- oder Druckänderung in dem Loch 13 kann das Fluidvolumen in dem Rohr 16 verändern und so den Balg 20 fälschlicherweise ausdehnen.
Exakt oder nahezu exakt die gleiche Ausdehnung wird im zugehörigen Rohr 24 und Balg 26 verursacht. Die Ausdehnung des Balg 26 kann von der Ausdehnung des Balgs 20 subtrahiert werden, so dass das unverfälschte Gesteinsdeformationssignal, welches das Gefäß 12 deformiert, erhalten werden kann.
Die Vorrichtung 10 wird an dem gewünschten Punkt in der Erde positioniert, indem das Bohrloch 13 bis zur gewünschten Tiefe gebohrt wird, der untere Teil des Loches 13 mit der Kopplungsstruktur in Form einer Ladung von Füllzement 30 gefüllt wird und das Gefäß 12 in den Zement 30 abgesenkt wird. Durch Verwendung eines ausdehnungsfähigen Zements dehnt sich der Füllzement beim Aushärten aus, wodurch die Wände des Gefäßes 12 mit der Umgebungsstruktur innig gekoppelt werden. In der gezeigten Vorrichtung 10 tritt eine Vorspannung des Gefäßes 12 in der Größenordnung von ca. 7 lbs. pro Quadrat-Inch (ca. 5 · 10&sup4; Pa) auf, nachdem die Füllung gehärtet ist.
Wenn sich die Verformung in der Umgebungsstruktur ändert, wird das Loch 13 verspannt werden, und die Wand des Gefäßes 12 wird der Lochdeformation folgen. Wenn die Wand des Gefäßes 12 deformiert wird, ändert sich das Volumen des Fluids 14 in dem Gefäß 12, und der Druck in dem Fluid ändert sich dadurch, wobei die Druckänderung hydraulisch zur Oberfläche durch das Auslassrohr 16 übertragen und durch den ausdehnbaren Balg 20 gemessen wird. Die Dicke der Wände des Gefäßes 12 wird derart gewählt, dass ihre Steifigkeit gleich der der umgebenden Erdstruktur ist.
Die ausdehnbaren Balge 20 und 26 sind zum Beispiel Wellrohrbalge, die mit einem Differentialtransformator gekoppelt sind, wie in USP-3,635,076 beschrieben ist. Der Transformator liefert eine elektrische Angabe der Längenänderung des Balgs in einer im Stand der Technik bekannten Weise.
Da das Fluid ständig an der Oberfläche in dem Rohr 16 vorhanden ist, kann der Druck am Gefäß 12 nahezu gleich dem Umgebungsdruck durch Wahl der Fluiddichte gemacht werden. Folglich kann eine dünnwandigere Rohrleitung verwendet werden, die empfindlicher auf Gesteinsdeformation ist. Zusätzlich unterdrückt der Hochbetriebsdruck in dem Gefäß den Siedepunkt der verwendeten Fluide.
Man kann erkennen, dass die Messvorrichtung ein effektives Mittel zum Messen von Verformungen und Deformationen in Festkörpern liefert. Da es keine tief im Loch angeordnete Elektronik gibt, werden die Betriebstemperaturen nicht eingeschränkt. Das Vorsehen des zweiten Rohrs stellt eine genaue Messung unabhängig von Temperatur- oder Druckänderungen sicher, die in der Vorrichtung auftreten können.
Weiterhin ist die Messvorrichtung druckausgeglichen, was den Bedarf für eine dickwandige Rohrleitung, die das Deformationssignal dämpft, überflüssig macht.

Claims

1. Vorrichtung (10) zum Feststellen von Verformungen und Deformationen in einer unterirdischen Gesteinsformation der Erde, wobei die Vorrichtung (10) umfasst: ein im wesentlichen eingeschlossenes Gefäß (12), das ausgebildet und angeordnet ist, um in ein Bohrloch eingefügt zu werden, das sich in eine unterirdische Formation erstreckt;

ein längliches Messrohr (16), das sich von dem Gefäß (12) erstreckt und in Fluidverbindung damit an einem ersten Ende steht, wobei das Messrohr (16) solch eine Länge hat, dass sich ein zweites Ende davon im allgemeinen zu der Erdoberfläche erstrecken kann, wenn das Gefäß (12) in das Bohrloch eingefügt ist; und

eine Messstruktur (20, 22), die mit dem zweiten Ende des Messrohrs (16) gekoppelt ist;

wobei das Gefäß (12) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass, wenn das Gefäß (12) in das Bohrloch eingefügt ist, eine zum Gefäß (12) übertragene Deformation von Festkörpern, welche das Gefäß (12) umgeben, eine Volumenänderung in dem Gefäß (12) verursacht, was wiederum das Fluid in das Messrohr (16) zwingt, wodurch sich das Fluidvolumen in dem Messrohr (16) ändert, wobei die Messstruktur (20, 22) ausgebildet und angeordnet ist, um eine Volumenänderung in dem Messrohr (16) festzustellen, um dadurch die Deformation der Festkörper festzustellen; gekennzeichnet durch:

ein längliches Kompensationsrohr (24), das zum Füllen mit Fluid dient und solch eine Länge hat, dass ein erstes Ende davon im allgemeinen an der Erdoberfläche angeordnet werden kann, wenn ein zweites Ende davon im allgemeinen angrenzend an das Gefäß (12) angeordnet ist, wenn das Gefäß (12) in das Bohrloch eingefügt ist, wobei das zweite Ende des Kompensationsrohrs (24) geschlossen ist; und

eine Kompensationsmessstruktur (26, 28), die mit dem ersten Ende des Kompensationsrohres (24) gekoppelt ist und ausgebildet und angeordnet ist, um eine Volumenänderung in dem Kompensationsrohr (24) festzustellen, um dadurch eine Kompensation der Temperatur- und/oder Druckänderungen, die das Fluidvolumen in dem Messrohr (16) beeinflussen, zu ermöglichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend eine Kopplungsstruktur (30), die ausgebildet und angeordnet ist, um Außenwände des Gefäßes (12) mit Wänden des Bohrloches starr zu koppeln, indem die Wände des Gefäßes (12) während seiner Installation vorgespannt werden, um die Deformation der das Bohrloch umgebenden Festkörper an die Wände des Gefäßes (12) zu übertragen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kopplungsstruktur (30) ausdehnbaren Zement umfasst.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Messstruktur (20, 22) einen Balg (20) für eine Verbindung mit dem Fluid in dem Gefäß (12) mittels des Messrohres (16) und einen Differentialtransformator (22) umfasst, der mit dem Balg (20) gekoppelt und dadurch betätigbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Messstruktur (20, 22) einen ausdehnbaren dünnwandigen Balg (20) umfasst, der mit einem Messwandler (22) gekoppelt ist, welcher dem Fluidpegel in dem Balg entsprechende Signale erzeugt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Messwandler (22) ein variabler Differentialtransformator ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Messwandler (22) eine Kapazitätsmessbrücke ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kompensationsmessstruktur (26, 28) einen ausdehnbaren Kompensationsbalg (26) umfasst, der mit einem Messwandler (28) gekoppelt ist, welcher dem Fluidpegel in dem Kompensationsbalg (26) entsprechende Signale erzeugt.

9. Verfahren zum Feststellen der Deformation und der Verformungen in unterirdischen Erdformationen, wobei das Verfahren umfasst:

Anordnen einer Messvorrichtung (10) in ein Bohrloch in einer unterirdischen Formation, die erhöhten Temperaturen unterworfen ist, wobei die Messvorrichtung (10) ein Gefäß (12), ein erstes Rohr (16) mit einem ersten Ende, das mit dem Gefäß (12) gekoppelt ist und in Fluidverbindung damit steht, und mit einem zweiten Ende, das im allgemeinen an der Erdoberfläche angeordnet ist, umfasst, wobei das Gefäß (12) und das erste Rohr (16) mit Fluid gefüllt sind, wobei die Messvorrichtung (10) eine Messstruktur (20, 22) umfasst, die mit dem zweiten Ende des ersten Rohres (16) gekoppelt ist;

Ausbilden einer vorgespannten festen Passung zwischen Wänden des Bohrlochs und Außenwänden des Gefäßes (12), so dass die Deformation von Gestein und Festkörpern, die das Bohrloch umgeben, an die Wände des Gefäßes (12) übertragen wird, welche wiederum Volumenänderungen in dem Gefäß und eine Fluidverschiebung in dem ersten Rohr (16) erzeugen; und

Feststellen des in dem ersten Rohr (16) verschobenen Fluidvolumens durch Verwendung der Messstruktur (20, 22), um die Deformation in der unterirdischen Formation zu messen; gekennzeichnet durch:

Kompensieren von Umwelteinflüssen auf das Fluidvolumen in dem ersten Rohr (16) zwischen dem Gefäß (12) und der Erdoberfläche durch Vorsehen eines zweiten Rohres (24), das an seinem unteren Ende geschlossen ist und im wesentlichen die gleiche Länge, im wesentlichen das gleiche Volumen aufweist und mit dem gleichen Fluid wie das erste Rohr (16) gefüllt ist, und durch Kompensieren der Messstruktur (26, 28), die mit einem zweiten Ende des zweiten Rohrs (24) gekoppelt ist, um die Volumenverschiebung in dem zweiten Rohr (24) festzustellen, welche mit der Volumenverschiebung in dem ersten Rohr (16) verglichen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Messstruktur (20, 22) des ersten Rohrs (16) und die Kompensationsmessstruktur (26, 28) des zweiten Rohrs (24) jeweils eine flexible ausdehnbare Kammer (20, 26) und einen Messwandler (22, 28) umfassen, wobei das Verfahren das Messen eines Fluidpegels in jeder ausdehnbaren Kammer (20, 26) und das Bestimmen einer Fluidpegeldifferenz in den ausdehnbaren Kammern (20, 26) einschließt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Fluid entweder Silikonöl oder chloroformgesättigtes Wasser ist.