ОБЪЕДИНЕННЫЕ ДЕТОНАТОРЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СО ВЗРЫВНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ Российский патент 2007 года по МПК F42B3/10 F42B19/08 

Утверждается приоритет в соответствии с Разделом 35 Кодекса законов США § 119(е) предварительной заявки на патент США с порядковым №60/521088 под названием "Микроэлектромеханические устройства", зарегистрированной 19 февраля 2004 г. Она также является частичным продолжением заявки на патент США с порядковым №10/304205, зарегистрированной 26 ноября 2002 г., и эта формула изобретения используется в соответствии с Разделом 35 Кодекса законов США § 119(е) предварительной заявки на патент США с порядковым №60/333586 под названием "Integral capacitor discharge unit" ("Объединенный конденсаторный разрядный блок"), зарегистрированной 27 ноября 2001 г.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается в общем активизирующих устройств и более конкретно объединенного детонатора для использования в активировании взрывчатых веществ.

Уровень техники

Взрывчатые вещества используют во многих типах применений, таких как применения в скважинах для добычи углеводородов, сейсмические применения, применения в военном оружии и минировании. В сейсмических применениях взрывчатые вещества взрывают на поверхности земли для создания ударных волн, направленных в нижние горизонты земли так, чтобы можно было измерять различными датчиками данные относительно характеристик нижних горизонтов. В контексте скважин для добычи углеводородов, обычный тип используемого взрывчатого вещества содержит кумулятивные заряды в скважинных перфораторах. Кумулятивные заряды при детонировании создают перфорирующие струи, распространяющие перфорационные отверстия через любую окружающую обсадную трубу или вкладыш (нижнюю часть обсадной колонны) и в окружающую формацию для создания возможности связи по текучей среде между формацией и стволом скважины. Также, другие инструменты в скважине тоже могут содержать взрывчатые вещества. Например, взрывчатые вещества можно использовать, чтобы устанавливать пакеры или активизировать другие инструменты.

Для детонирования взрывчатых веществ используют детонаторы. В общем, детонаторы могут быть двух типов: электрические детонаторы и накольные капсюль-детонаторы. Накольный капсюль-детонатор срабатывает от некоторого типа механического усилия для активизирования взрывчатого вещества. Электрический детонатор срабатывает от предварительно определенного электрического сигнала, чтобы активизировать взрывчатое вещество. Один тип электрического детонатора называется электровзрывным устройством (ЭВУ), которое может содержать термические детонаторы с нитью накала, детонаторы с полупроводниковой перемычкой (ППП), детонаторы со взрывной проволочной перемычкой (ВПП) или детонаторы со взрывным фольговым инициатором (ВФИ).

В некоторых типах электрических детонаторов, вблизи от детонатора располагают локальный электрический источник. Такой электрический источник может иметь форму конденсаторного разрядного блока, который содержит конденсатор, заряженный до заданного напряжения. В ответ на активизирующий сигнал, заряд, аккумулированный в конденсаторе, разряжается в другое устройство, производя действие детонации. Как правило, из-за относительно большого количества необходимой энергии конденсаторный разрядный блок может быть очень большим, что ведет к увеличению размеров корпусов в скважинных инструментах, которые содержат такие конденсаторные разрядные блоки. Дополнительно, из-за относительно больших размеров, эффективность обычных конденсаторных разрядных блоков снижается вследствие повышенного сопротивления и индуктивности токопроводов в детонаторе.

Раскрытие изобретения

В общем, обеспечен улучшенный детонатор, который имеет меньший размер и большую эффективность. Например, в одном варианте осуществления сборка детонатора содержит источник энергии (например, конденсатор), имеющий поверхность, причем источник энергии дополнительно имеет электроды. На поверхности источника энергии образован резистор, причем один конец резистора электрически соединен с одним из электродов.

В некоторых примерных вариантах осуществления резисторы образованы на поверхности конденсатора толстопленочным осаждением. Например, одним типом резистора является зарядный резистор. Другим типом резистора является резистор утечки, который соединяет два электрода. Поверхность конденсатора используется для электрического подсоединения переключателя и/или инициатора типа взрывного фольгового инициатора (ВФИ).

В других примерных вариантах осуществления улучшенный детонатор содержит ВФИ, переключатель, конденсатор, резистор утечки, трансформатор и адресуемую микросхему, объединенные для образования монолитного блока, имеющего размер обычного термического детонатора с нитью накала. Монолитный блок также может содержать защитный фильтр линии и взрывчатое вещество.

В другом примерном варианте осуществления улучшенный детонатор может быть встроен в скважинный труборез или использован для инициирования взрывания скважинного трубореза или кумулятивной торпеды. В качестве альтернативы, вариант осуществления улучшенного детонатора можно использовать для инициирования одного или более кумулятивных зарядов.

Другие признаки и варианты осуществления станут очевидными из последующего описания, из чертежей и из формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А и 1В изображают две связки инструментов согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.

Фиг.2 изображает электрическую принципиальную схему сборки детонатора, которую можно использовать в связке инструментов согласно фиг.1А или фиг.1В.

Фиг.3 изображает вид в перспективе сборки детонатора.

Фиг.4 изображает вид снизу сборки детонатора.

Фиг.5 изображает схематичный вид сбоку конденсатора в сборке детонатора.

Фиг.6 и 7 изображают два различных типа переключателей, используемых в сборке детонатора фиг.2.

Фиг.8А и 8В изображают вариант осуществления микропереключателя по настоящему изобретению, как он используется в объединенном устройстве детонатора.

Фиг.9 изображает пример адресуемых функциональных возможностей варианта осуществления объединенного устройства детонатора фиг.8А и 8В.

Фиг.10 изображает пример варианта осуществления трансформатора повышения напряжения объединенного устройства детонатора.

Фиг.11 изображает вариант осуществления схемы пускового искрового разрядника объединенного устройства детонатора.

Фиг.12 изображает вариант осуществления пьезоэлектрического трансформатора объединенного устройства детонатора.

Фиг.13А-13В изображают вариант осуществления кумулятивной торпеды объединенного устройства детонатора.

Фиг.14А-14С изображают вариант осуществления настоящего изобретения для использования в детонировании кумулятивного заряда или набора кумулятивных зарядов при работе взрыв за взрывом для достижения выборочного взрывания.

Осуществление изобретения

В последующем описании сформулированы многочисленные детали, чтобы обеспечить понимание настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение можно выполнять без этих деталей и что можно осуществить многочисленные видоизменения или модификации относительно описанных вариантов осуществления.

Термины "соединять", "соединение", "соединенный", "в соединении с" и "соединяющий" используются, чтобы означать "в прямом соединении с" или "в соединении через другой элемент"; термины "механически соединять", "механическое соединение" и "механически соединенный", "в механическом соединении с" и "механически соединяющий" означают "в прямом физическом соединении для образования монолитного блока", типа скрепленного, вплавленного или изготовленного за одно целое; и термин "набор" используется для обозначения "один элемент" или "более, чем один элемент"; термины "вверх" и "вниз", "верхний" и "нижний", "вверху" и "внизу", "расположенный впереди" и "расположенный позади"; "выше" и "ниже"; и другие подобные термины, указывающие относительные положения выше или ниже данной точки или элемента, использованы в этом описании, чтобы более ясно описать некоторые варианты осуществления изобретения. Однако при применении к оборудованию и способам для использования в скважинах, которые являются наклонными или горизонтальными, такие термины могут относиться к положениям слева направо, справа налево или к другим соответствующим взаимосвязям. Термины "вверх" и "вниз", "верхний" и "нижний", "вверху" и "внизу"; "выше" и "ниже"; и другие подобные термины, указывающие относительные положения выше или ниже данной точки или элемента, используются в этом описании, чтобы более ясно описать некоторые варианты осуществления изобретения. Однако при применении к оборудованию и способам при использовании в скважинах, которые являются наклонными или горизонтальными, или когда такое оборудование является наклонно или горизонтально ориентированным, такие термины могут относиться к положениям слева направо, справа налево или к другим соответствующим взаимосвязям.

Обращаясь теперь к фиг.1А, отметим, что вариант осуществления связки инструментов содержит перфорационную связку, имеющую скважинный перфоратор 20 и стреляющую головку 18. Перфорационная связка прикреплена на конце несущей линии 12, типа талевого каната, электрического кабеля, выравнивающей линии (slickline), трубопровода и т.д. В варианте осуществления фиг.1А стреляющая головка 18 содержит сборку 22 детонатора с взрывным фольговым инициатором (ВФИ) согласно одному варианту осуществления. Как описано ниже, сборка 22 детонатора ВФИ содержит объединенную сборку конденсаторного разрядного блока (КРБ) и ВФИ. Следует отметить, что в вариантах осуществления, использующих талевый канат или трубопровод для подвешивания перфорационной связки, для подачи энергии на ВФИ можно использовать скважинную батарею.

В более общем виде, объединенный конденсаторный разрядный блок имеет конденсатор, зарядный резистор и резистор утечки. Объединенный конденсаторный разрядный блок содержит толстопленочную схему, которая электрически соединяет конденсатор и резистор, а также другие компоненты.

Сборка 22 детонатора связана с детонационным шнуром 24, который соединен с некоторым количеством кумулятивных зарядов 26. Активирование сборки 22 детонатора вызывает инициирование детонационного шнура 24, который, в свою очередь, вызывает детонацию кумулятивных зарядов 26. Детонация кумулятивных зарядов 26 вызывает формирование перфорационных торпед из кумулятивных зарядов 26, чтобы распространить отверстия в окружающую обсадную трубу 10 и распространить перфорационные отверстия в обсадной колонне в окружающую формацию 14.

Фиг.1В изображает другой вариант осуществления перфорационной связки, которая содержит стреляющую головку 30 и скважинный перфоратор 32. Скважинный перфоратор 32 также содержит множество кумулятивных зарядов 34. Однако вместо кумулятивных зарядов 34, подсоединенных к детонационному шнуру, каждый кумулятивный заряд 34 связан с соответствующей локальной сборкой 36 детонатора. В одном варианте осуществления каждая из сборок 36 детонаторов содержит сборки детонаторов ВФИ, которые образованы подобно сборке 22 детонатора на фиг.1А. Сборки 36 детонаторов соединены электрическим кабелем 38, который обеспечивает электрический сигнал сборкам 36 детонаторов, чтобы активизировать такие сборки детонаторов. Стреляющая головка 30 принимает дистанционную команду откуда-нибудь в стволе 16 скважины или с поверхности ствола скважины.

Выгода, предлагаемая перфорационной связкой фиг.1В, состоит в том, что кумулятивные заряды 34 можно по существу одновременно детонировать в ответ на активизирующий сигнал или напряжение, подаваемое вниз по электрическому кабелю 38, или произвести взрыв в любой желаемой последовательности или с любой желаемой задержкой. Это является отличием от устройства фиг.1А, в котором детонация последовательных кумулятивных зарядов 26 задерживается скоростью детонационной волны, перемещающейся вниз по детонационному шнуру 24.

Хотя устройство фиг.1В содержит множество детонирующих сборок 36, по сравнению с единственной сборкой 22 детонатора в устройстве фиг.1А, небольшой размер детонирующих сборок 36 согласно некоторым вариантам осуществления позволяет такие детонирующие сборки включать в скважинный перфоратор 32, по существу не увеличивая размер скважинного перфоратора 32.

Как отмечено выше, в одном варианте осуществления на стреляющую головку 22 или 30 подают электрический сигнал, чтобы активизировать скважинный перфоратор 20 или 32. Однако в альтернативных вариантах осуществления активизирующий сигнал может иметь форму импульсных сигналов давления, гидравлического давления, сигналов перемещения, передаваемых по несущей линии 12, и т.д.

Вместо перфорационных связок, сборки детонаторов согласно некоторым вариантам осуществления можно использовать в других типах связок инструментов. Примеры других связок инструментов, которые содержат взрывчатые вещества, включают в себя следующее: труборезы, установочные устройства и т.д. Кроме того, сборки детонаторов согласно некоторым вариантам осуществления можно также использовать для других применений, типа сейсмических применений, применениях в минировании, подрыва или применения в военном оружии. В сейсмических применениях сборки детонаторов баллистически связывают с взрывчатыми веществами, используемыми для генерирования звуковых волн в нижние горизонты земли для того, чтобы определять различные характеристики нижних горизонтов земель.

Как было отмечено выше, в одном варианте осуществления сборка 22 детонатора содержит сборку детонатора ВФИ. ВФИ включают в себя взрывной фольговый инициатор "летающей пластины" или взрывной фольговый "барботажный активизируемый" инициатор. Другие типы сборок детонатора могут использовать другие типы электрических инициаторов, типа инициаторов с взрывной проволочной перемычкой (ВПП) и инициаторов с полупроводниковой перемычкой (ППП).

На фиг.2 показана электрическая принципиальная схема одного варианта осуществления сборки 100 детонатора. Сборкой 100 детонатора может быть либо сборка 22 детонатора фиг.1А, либо сборка 36 детонатора фиг.1В. Сборка 100 детонатора содержит конденсаторный разрядный блок (КРБ) 102, ВФИ 104 и мощное взрывчатое вещество (МВВ) 106.

КРБ 102 содержит конденсатор 108, зарядный резистор 110 и стабилизирующий зарядный резистор 112. Кроме того, КРБ 102 включает в себя переключатель 114 для подсоединения заряда, накопленного в конденсаторе 108, к ВФИ 104, чтобы активизировать ВФИ 104. При активизировании ВФИ 104 производит летающую пластину, которая продвигается обычно на гиперзвуковой скорости и пересекает зазор 116 для воздействия на мощное взрывчатое вещество 106. В некоторых вариантах осуществления летающую пластину можно изготавливать из материала фольги полимера или металлической фольги. Воздействие летающей пластины на мощное взрывчатое вещество 106 вызывает детонацию взрывчатого вещества 106. Взрывчатое вещество 106 баллистически связано либо с детонационным шнуром 24 (фиг.1А), либо с взрывчатым веществом кумулятивного заряда 34 (фиг.1В). В некоторых вариантах осуществления внутреннее сопротивление конденсатора может быть достаточным, и отдельный зарядный резистор не требуется.

Конденсатор 108 заряжают, применяя соответственно высокое напряжение постоянного тока в линии 118. Напряжение подается через зарядный резистор 110 на конденсатор 108. Зарядный резистор 110 обеспечен для ограничения тока (в случае короткого замыкания в конденсаторе 108 или в другом месте в КРБ 102). Зарядный резистор 110 также обеспечивает изоляцию КРБ 102 от других КРБ в связке инструментов.

Резистор 112 утечки обеспечивает возможность медленного разряда конденсатора 108. Это необходимо в том случае, если сборка детонатора 100 не была взорвана после того, как связка инструментов была опущена в ствол скважины. Резистор 112 утечки предотвращает КРБ 102 от возможной опасности, когда связка инструментов с невзорванными сборками 100 детонаторов должна быть извлечена из скважины назад на поверхность.

В других вариантах осуществления можно использовать другие сборки детонаторов с другими типами источников энергии (отличающимися от конденсатора 108).

Сборка 100 детонатора содержит объединенную сборку КРБ 102 и ВФИ 104, чтобы обеспечить меньший пакет сборки детонатора, а также улучшить эффективность работы сборки 100 детонатора. Эффективные КРБ должны иметь быстрое время разряда (например, наносекундные скорости реакции по нижнему каналу индуктивности) через ВФИ с низкой потерей энергии (низкое сопротивление). Один способ увеличения эффективности состоит в том, чтобы уменьшить в максимально возможной степени индуктивность (L) и сопротивление (R) всей схемы в цепи разряда КРБ 102. Объединяя КРБ 102 в меньший пакет, индуктивность и сопротивление можно уменьшить, улучшая таким образом эффективность КРБ 102.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения зарядный резистор 110 и резистор 112 утечки выполнены в виде резисторов, образованных на поверхности конденсатора 108. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления переключатель 114 также изготовлен за одно целое на поверхности конденсатора 108, что дополнительно уменьшает общий размер КРБ 102.

Фиг.3 изображает КРБ 102 согласно одному варианту осуществления. Конденсатор 108 в одном варианте осуществления содержит керамический конденсатор, который имеет внешний керамический корпус 202, образованный из керамического материала. Однако в других вариантах осуществления можно использовать другие типы конденсаторов. Конденсатор 108 содержит первую группу из одного или более электропроводных слоев, которые соединены с одним электродом, называемым катодом. Вторая группа из одного или более электропроводных слоев в конденсаторе 108 соединена с другим электродом конденсатора, называемым анодом. Между электропроводными слоями катода и анода обеспечены один или более слоев из диэлектрического материала. Катодные слои, анодные слои и диэлектрические слои обеспечены внутри внешнего корпуса 202 конденсатора 108. Как показано на фиг.3, конденсатор 108 имеет первый электрод 204 и второй электрод 206. Электроды 204 и 206 образуют катод и анод конденсатора 108.

Электрод 206 конденсатора электрически соединен с электрическим проводом 208. Другой электрический провод 210 соединен с узлом зарядного резистора (на фиг.3 не показан), который образован на нижней поверхности 212 конденсатора 108.

Дополнительно, ВФИ 104 прикреплен на верхней поверхности 222 конденсатора 108. Одна сторона ВФИ 104 соединена электропроводной пластиной 215 с электродом 206 конденсатора 108. Другая сторона ВФИ 104 электрически соединена с электропроводной пластиной 214, которая, в свою очередь, соединена с одной стороной переключателя 114. Другая сторона переключателя 114 электрически соединена другой электропроводной пластиной 216 с электродом 204 конденсатора. Электрические соединения обеспечены толстопленочным осаждением или другими эквивалентными способами. Можно использовать любое количество типов маленьких переключателей, типа раскрытых в патенте США №6385031 и заявке США с порядковым №09/946249, зарегистрированных 5 сентября 2001 г., оба включены здесь путем ссылки. Также, ВФИ может включать в себя переключатель, изготовленный за одно целое, как часть своей конструкции.

На фиг.4 изображен вид снизу КРБ 102. Резистор 112 утечки и зарядный резистор 110 оба выполнены, как толстопленочный или тонкопленочный резисторы, на нижней поверхности 212 конденсатора 108. Один конец 302 резистора 112 утечки электрически соединен с электродом 204, в то время как другой конец 304 резистора 112 электрически соединен с электродом 206. Один конец 306 зарядного резистора 110 электрически соединен с электродом 204, в то время как другой конец 308 резистора 110 электрически соединен с контактной площадкой 310. Контактная площадка 310 обеспечивает возможность электрического соединения зарядного резистора 110 электрическим проводом 210.

Материал и конфигурацию (толщину, длину, ширину) каждого резистора 110 и 112 выбирают для достижения целевого поверхностного сопротивления так, чтобы можно было достигнуть требуемых значений сопротивления резисторов 110 и 112. В других вариантах осуществления вместо толстопленочных или тонкопленочных резисторов можно использовать другие типы резисторов, которые можно осаждать, металлизировать или образовывать иным способом на корпусе конденсатора.

Чтобы образовать резисторы на поверхности (или поверхностях) корпуса конденсатора, на внешней поверхности (поверхностях) корпуса конденсатора можно образовать бороздку или надрез, с последующим осаждением или введением резистивного материала в бороздку или надрез. В качестве альтернативы, резистивный материал можно получить трафаретной печатью или печатанием на поверхности (поверхностях), или можно использовать другие технологии.

Фиг.5 показывает схематичное представление слоев конденсатора 108. Электропроводные слои 312 соединены с первым электродом 204, в то время как электропроводные слои 314 соединены с электродом 206. В некоторых вариантах осуществления электропроводные слои 312 и 314 образованы из металла, типа меди, серебряно-палладиумового сплава или другого электропроводного металла. Между последовательными слоями 312 и 314 обеспечены диэлектрические слои.

Согласно одному варианту осуществления переключатель 114 (фиг.2) воплощен, как переключатель перенапряжения. Как показано на фиг.6, один вариант осуществления переключателя 114 перенапряжения содержит первый электропроводный слой 402 и второй электропроводный слой 406. Между электропроводными слоями 402 и 406 находится изолирующий (диэлектрический) слой 404. В одном примерном воплощении электропроводные слои 402 и 406 образованы из меди или другого электропроводного металла. В одном примерном воплощении изолирующий слой 404 образован из полиимидного материала.

Изолирующий слой 404 имеет толщину и управляемую концентрацию примеси, чтобы заставить переключатель 114 активизироваться при выбранной разности напряжений между электропроводными слоями 402 и 406. Как только напряжение переходит некоторый заданный пороговый уровень, изолирующий слой 404 разрушается, электрически соединяя первый и второй электропроводные слои 402 и 406 (таким образом замыкая переключатель 114).

Возможно, напряжением пробоя изолирующего слоя 404 можно управлять при наличии конфигурации перекрывающих электропроводных слоев 402 и 406, которая несколько ориентирована для увеличения градиента потенциала в точках. Дополнительно, осаждая твердый металл типа вольфрама на контактные площадки первого и второго электропроводных слоев 402 и 406, можно предотвратить выгорание электропроводных слоев. Для электрического подсоединения электропроводных слоев 402 и 406 к соответствующим проводам обеспечены контактные площадки. Закаленный металл также обеспечивает более эффективный переключатель. Также, для увеличенной эффективности величину зазора между точками делают маленькой, например, порядка нескольких тысячных дюйма.

Фиг.7 изображает другой тип переключателя 114. Этот альтернативный переключатель является переключателем пусковых импульсов, в котором добавлен другой электропроводный слой, соединенный с пусковым напряжением. Как показано на фиг.7, переключатель 114 пусковых импульсов содержит верхний и нижний электропроводные слои 410 и 414, в дополнение к промежуточному электропроводному слою 412. Между последовательными электропроводными слоями обеспечены изолирующие слои 416 и 418. При работе к аноду 412 пусковых импульсов прикладывают высокое напряжение (относительно заземления) с быстрым временем нарастания. Пусковое напряжение имеет достаточную амплитуду, чтобы вызвать пробой изолирующих слоев 416 и 418, обеспечивая проводимость между верхним и нижним электропроводными слоями 410 и 414.

В других вариантах осуществления детонатора по настоящему изобретению можно объединить микропереключатели, чтобы образовать маленький, дешевый детонатор, использующий технологию с взрывным фольговым инициатором. Например, в одном варианте осуществления, переключаемый микропереключателями детонатор ВФИ является достаточно маленьким, чтобы плотно войти в стандартный корпус детонатора, таким образом упрощая материально-техническое обеспечение и компоновку, облегчая сборку и улучшая общую надежность при замене менее безопасного термического детонатора с нитью накала. "Микропереключатель" можно использовать, как раскрыто в заявке США с порядковым №10/708182, зарегистрированной 13 февраля 2004 г., которая здесь включена путем ссылки. Такой микропереключатель может содержать, но не ограничен этим, переключатель с микроэлектромеханической системой (МЭМС), переключатель, сделанный с применением микроэлектронной технологии, подобной используемой для изготовления устройств на интегральных схемах, двухпозиционный микроэлектромеханический переключатель, искровой переключатель, переключатель, имеющий нанотрубчатые электронные эмиттеры (например, углеродные нанотрубки), полевой транзистор со структурой металл-оксид-кремний (МОП-транзистор), полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор) и другие микропереключающие устройства.

Обращаясь теперь к фиг.8А и фиг.8В, отметим, что в общем вариант осуществления настоящего изобретения может содержать маленький, монолитный детонатор 800 со всеми компонентами, объединенными в отдельный блок. Компоненты могут содержать, но не ограничены этим: объединенный конденсаторный разрядный блок 808, включающий в себя зарядный резистор и стабилизирующий нагрузочный резистор, которые сплавлены или скреплены вместе с микропереключателем и инициатором (например, ВФИ, ВПП, ППП, термическим с нитью накала или другим инициатором), инициирующее взрывчатое вещество 806, обычное взрывчатое вещество 804 (например, PETN, RDX, HMX, CL-20, HNS, NONA и/или другое взрывчатое вещество), повышающий трансформатор 810 для приема входного низкого напряжения и повышения до выходного высокого напряжения, и адресуемую микросхему 812. В другом варианте осуществления для простоты конструкции можно использовать микросхему. Получающийся в результате размер объединенного детонатора 800 является достаточно маленьким, чтобы быть скомпонованным в корпусе 802 стандартного детонатора, и может принимать энергию через стандартную штепсельную вилку 814.

Вариант осуществления детонатора 800 имеет размер и форму, по существу равные размеру и форме стандартного цилиндрического термического детонатора с нитью накала. Например, некоторые стандартные термические детонаторы с нитью накала имеют диаметр поперечного сечения приблизительно 0,28 дюйма. В другом примере вариант осуществления детонатора 800 может иметь такой же диаметр, как и детонационный шнур 24 (фиг.1А), с которым детонатор соединен. Этот относительно малогабаритный детонатор может быть более желателен по сравнению с крупногабаритными детонаторами предыдущего уровня техники, которые в общем состоят из объемистого конденсаторного разрядного блока (КРБ) (включающего в себя ВФИ, ионный переключатель, стабилизирующий нагрузочный резистор и конденсатор), вместе с умножителем, интеллектуальной электроникой и взрывчатым веществом, скомпонованными в относительно большом корпусе, имеющем диаметр поперечного сечения 0,75 дюйма. Относительно большой размер этих детонаторов предыдущего уровня техники ограничивает их применение и использование в полевых условиях, а также увеличивает стоимость производства. Хотя этот вариант осуществления детонатора по настоящему изобретению имеет диаметр поперечного сечения приблизительно 0,28 дюйма, подразумевается, что другие варианты осуществления могут содержать объединенные детонаторы, имеющие другие диаметры поперечного сечения.

Помимо маленького полного размера, варианты осуществления детонатора 800 по настоящему изобретению могут включать в себя различные преимущества над детонаторами предыдущего уровня техники относительно способствования безопасному манипулированию и взрыванию. Некоторые варианты осуществления имеют дополнительное преимущество взрывания при более низком напряжении. Например, можно сконфигурировать детонатор, реагирующий на напряжение взрывания, составляющее всего приблизительно 30 В. Кроме того, некоторые варианты осуществления детонатора 800 содержат радиочастотную идентификационную метку (РЧИ) для облегчения функций надежного манипулирования и запуска, а также обеспечения идентификации и контроля запасов. Дополнительно, варианты осуществления детонатора можно номинировать для работы при температурах приблизительно до 340°F. Более высоких температур (приблизительно до 500°F) можно достигать с добавлением контейнера тепловой задержки. Тем не менее, другие варианты осуществления детонатора можно десенсибилизировать жидкостью, обеспечивать радиочастотную защиту и/или защиту от непреднамеренного поверхностного усилия.

Обращаясь теперь к фиг.8А и фиг.8В, отметим, что вариант осуществления сборки 800 детонатора может содержать конденсатор 808 (цилиндрический или прямоугольный), образованный из диэлектрического/поляризованного материала, имеющий встроенный (например, толстопленочный) резистор утечки на одном конце и имеющий ВФИ и микропереключатель, установленный на другом конце. ВФИ можно вплавлять или прикреплять к конденсатору 808, а микропереключатель для активизации ВФИ можно поместить на той же подложке, что и ВФИ, или, в качестве альтернативы, на отдельной подложке. Микропереключателем может быть переключатель перенапряжения в миниатюризированной камере, и в некоторых вариантах осуществления микропереключатель можно усиливать углеродными нанотрубками, как описано в заявке США с порядковым №10/708182.

Все еще обращаясь к фиг.8А и фиг.8В, отметим, что вариант осуществления сборки 800 детонатора также может содержать трансформатор 810 повышения напряжения, как показано на принципиальной схеме фиг.10. Трансформатор можно изготовить таким, чтобы его вплавлять или прикреплять непосредственно к конденсатору 808. Трансформатор может быть способен принимать низковольтный входной сигнал (например, 5-30 В) и усиливать его до высоковольтного выходного сигнала (например, 1400 В) с помощью отдельного диода высокого напряжения. В некоторых вариантах осуществления трансформатор можно изготавливать из металлического, керамического или керамико-ферритового материала, имеющего характеристики высокой магнитной проницаемости, используя обычный процесс намотки провода или процесс низкотемпературного совместного обжига керамики (LTCC), используя катушки индуктивности из проводника трафаретной печати.

Дополнительно обращаясь к фиг.8А, фиг.8В и фиг.10, отметим, что вариант осуществления сборки 800 детонатора также может содержать адресуемую микросхему 812. Адресуемая микросхема 812 может способствовать селективности управления и обеспечивать дополнительную защиту от случайного взрывания. Включение адресуемой микросхемы 812 возможно благодаря низковольтному входному сигналу трансформатора 810, что облегчает компоновочную адресуемость в микросхему 812. Адресуемую микросхему 812 можно сконструировать для объединения стандартного КМОП (комплиментарная МОП-структура) с 5-вольтовым или 3,3-вольтовым функционированием, использующим логический конечный автомат. Кроме того, некоторые варианты осуществления микросхемы можно сконфигурировать так, чтобы иметь встроенную цифровую обработку сигнала для улучшенного распознавания сигнала по нисходящей линии и восходящей линии связи, используя петлю двухфазного тока.

При работе вариант осуществления микросхемы 812 облегчает интеграцию электронных адресуемых функций, например: (1) однозначно идентифицирует и выбирает один или больше взрывчатых инициаторов из набора инициаторов; (2) обеспечивает возможность селективно заряжать и взрывать один или более инициаторов и позволяет программировать определенную задержку времени; (3) обеспечивает возможность дежурного режима или неактивного состояния, режима временной задержки, режимов манипулирования и взрывания и режимов переключения, чтобы открывать или закрывать повторно выбранную схему; (4) обеспечивает возможность режима обнаружения для контролирования сигнала от датчиков (например, давление, температуру, угол наклона, ток, напряжение и т.д.); и/или (5) обеспечивает возможность режима разъединения, чтобы отсоединять инициаторы, взрываемые снизу, от остальной части связки, обнаруживая достаточное повышение тока, с последующим продвижением. Изображение вышеупомянутых функциональных возможностей показано на фиг.9 и 10. Подразумевается, что адресуемую микросхему можно сконфигурировать для выполнения одной или всех этих и других функций.

Например, вариант осуществления детонатора, имеющего адресуемую микросхему, может обеспечить способ запуска детонатора, основанный на внутреннем таймере или внешнем пусковом механизме. Кроме того, адресуемая микросхема может содержать общие команды, чтобы запускать множество таймеров в детонирующей связке. Каждый таймер можно заранее установить, чтобы обеспечить точные задержки в связке. Это точное управление задержками времени в связке обеспечивает возможность производить выгодные характеристики по динамическому давлению и времени. Например, патент США №6598682 - касающийся управления отрицательным и избыточным динамическим давлением - раскрывает систему для оптимизации выполнения процесса перфорирования, а также ограничения сопутствующего разрушения системы скважинного перфоратора и другого оборудования ствола скважины, ограничивая пиковое превышение давления и разрушительные резонансы продольной волны и усиление продольной волны давления.

Обращаясь теперь к фиг.11, отметим, что другой вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ генерирования пускового импульса, повышая ударное напряжение на конденсаторе с использованием второго трансформатора типа, содержащего, но не ограниченного этим, керамику низкотемпературного совместного обжига, LTCC, ленточную намотку, воздушный сердечник и/или переохлажденный аморфный сердечник. Этот пусковой импульс обеспечивает возможность управлять и точно выбирать время взрывания детонатора и более эффективно заряжать ударный конденсатор, потому что его можно полностью зарядить прежде, чем его запустят для производства взрыва детонатора. Принимая во внимание, что искровой промежуток воспламеняется всякий раз, когда пороговое напряжение превышается, схема пусковых импульсов и пусковой электрод обеспечивают альтернативные варианты для управляемого взрывания искрового промежутка - например, по команде с поверхности, после завершения предварительно определенной временной задержки или, если также используется измерение датчика давления, после достижения предварительно установленного порога давления или эпюры распределения давления.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ генерирования пусковых импульсов, подавая генерируемое напряжение с использованием пьезоэлектрического механического преобразования, как схематично показано на фиг.12. По сравнению с обычными трансформаторами этот альтернативный способ запуска достигает преимуществ, описанных выше, относительно более точного и эффективного взрывания детонатора. Этот пьезоэлектрический способ также предлагает преимущества более низкого количества деталей компонентов, меньшего размера компоновки и более низкого управляющего напряжения интегральной схемой.

Небольшой размер настоящего изобретения обеспечивает новые и выгодные возможности для инициирования взрывания кумулятивной торпеды из ее геометрического центра. Как показано на фиг.13А и фиг.13В, кумулятивная торпеда содержит взрывчатый материал, образованный в тесном контакте с металлическим вкладышем. Вкладыш сконфигурирован по существу вокруг центральной оси по существу в форме усеченного конуса между обычно усеченной вершиной и обычно усеченным основанием. ВФИ (или другой инициатор) со связанным КРБ помещают так, что его взрывающаяся таблетка располагается в центре торпеды. ВФИ/КРБ прикрепляют парой простых проводов через центр взрывчатого вещества. Альтернативно, как показано на фиг.13 В, ВФИ можно прикреплять кабелем низкой индуктивности высокого напряжения к внешнему КРБ, который инициируют электрическим сигналом. В любом случае, выгоды от настоящего изобретения включают в себя достижение центрированного инициирования кумулятивной торпеды, что приводит к оптимальным характеристикам торпеды, без внешней электроники или детонационного шнура, только простыми проводами от центра торпеды, и улучшенной надежности этой надежного и адресуемого РЧ детонатора.

Кроме того, обращаясь теперь к фиг.14А-14С, отметим, что вместо воплощения в виде кумулятивной торпеды варианты осуществления блоков ВФИ/КРБ можно по существу воплотить или соединить непосредственно с кумулятивным зарядом, имеющим взрывчатый материал, имеющий усеченное основание и образованный в тесном контакте с вкладышем. Как с кумулятивной торпедой, ВФИ/КРБ можно прикреплять парой простых проводов (фиг.14 В), или, в качестве альтернативы, ВФИ можно прикреплять кабелем низкой индуктивности высокого напряжения к внешнему КРБ, который инициируют электрическим сигналом (фиг.14С). Любое из этих устройств можно использовать для детонирования ряда кумулятивных зарядов при работе взрыв за взрывом, чтобы достигнуть селективного взрывания (фиг.14А).

Хотя изобретение было раскрыто относительно ограниченного количества вариантов осуществления, специалисты в данной области техники должны оценить многочисленные модификации и их разновидности. Предполагается, что прилагаемая формула изобретения охватывает такие модификации и разновидности, не выходя при этом за рамки сути и объема настоящего изобретения.

Изобретение касается объединенного детонатора для использования в активировании взрывных устройств. Детонатор содержит конденсатор, инициатор, механически и электрически соединенный с конденсатором, трансформатор, механически и электрически соединенный с конденсатором, и адресуемую микросхему, механически и электрически соединенную с трансформатором, при этом конденсатор, инициатор, трансформатор и адресуемая микросхема образуют объединенный детонирующий блок. Изобретение позволяет создать детонатор небольшого размера и с большой эффективностью использования. 6 н. и 42 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Детонатор в сборе, содержащий конденсатор, инициатор, механически и электрически соединенный с конденсатором, трансформатор, механически и электрически соединенный с конденсатором, и адресуемую микросхему, механически и электрически соединенную с трансформатором, при этом конденсатор, инициатор, трансформатор и адресуемая микросхема образуют объединенный детонирующий блок.2. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит конденсаторный разрядный блок, причем конденсаторный разрядный блок содержит конденсатор и резистор.3. Детонатор по п.2, отличающийся тем, что конденсаторный разрядный блок дополнительно содержит толстопленочную схему, которая электрически соединяет конденсатор и резистор.4. Детонатор по п.3, отличающийся тем, что резистор содержит резистор утечки, образованный толстопленочным осаждением, причем стабилизирующий нагрузочный резистор приспособлен к разряду конденсатора.5. Детонатор по п.4, отличающийся тем, что содержит зарядный резистор, образованный толстопленочным осаждением, причем зарядный резистор выполнен с возможностью приема зарядного напряжения для конденсатора.6. Детонатор по п.2, отличающийся тем, что конденсаторный разрядный блок дополнительно содержит объединенный микропереключатель, причем микропереключатель выполнен с возможностью электрического подсоединения заряда от конденсатора к инициатору, когда его активизируют.7. Детонатор по п.6, отличающийся тем, что микропереключатель содержит один из переключателей с микроэлектромеханической системой, двухпозиционного микроэлектромеханического переключателя, искрового переключателя, переключателя, имеющего нанотрубчатые электронные эмиттеры, МОП-транзистора (полевого транзистора со структурой металл-оксид-кремний) и МДП-транзистора (полевого транзистора с изолированным затвором).8. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что инициатор выполнен из полупроводникового моста, взрывной проволочной перемычки и взрывного фольгового инициатора.9. Детонатор по п.2, отличающийся тем, что инициатор содержит взрывной фольговый инициатор, вплавленный непосредственно в конденсаторный разрядный блок.10. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит взрывчатое вещество примыкающее к инициатору.11. Детонатор по п.2, отличающийся тем, что конденсатор изготовлен из диэлектрического керамического материала.12. Детонатор по п.2, отличающийся тем, что резистор выбран из группы, состоящей из толстопленочного резистора и тонкопленочного резистора.13. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что трансформатор является пьезоэлектрическим трансформатором.14. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй трансформатор, выполненный с возможностью генерирования пусковых импульсов для взрывания инициатора.15. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что адресуемая микросхема выполнена с возможностью идентифицировать один или более инициаторов из набора инициаторов.16. Детонатор по п.15, отличающийся тем, что адресуемая микросхема выполнена с возможностью выборочно заряжать один или более инициаторов из набора инициаторов.17. Детонатор по п.15, отличающийся тем, что адресуемая микросхема выполнена с возможностью обеспечивать селективную задержку на предварительно определенное время зарядки одного или более инициаторов из набора инициаторов.18. Детонатор по п.15, отличающийся тем, что адресуемая микросхема выполнена с возможностью селективно производить взрыв одного или более инициаторов из набора инициаторов.19. Детонатор по п.15, отличающийся тем, что адресуемая микросхема выполнена с возможностью селективно задерживать в течение предварительно определенного времени взрывание одного или более инициаторов из набора инициаторов.20. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что адресуемая микросхема выполнена с возможностью инактивировать инициатор.21. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что адресуемая микросхема выполнена с возможностью активизировать датчик.22. Детонатор по п.21, отличающийся тем, что датчик является датчиком давления.23. Детонатор по п.21, отличающийся тем, что датчик является температурным датчиком.24. Детонатор по п.21, отличающийся тем, что датчик является датчиком угла наклона.25. Детонатор по п.21, отличающийся тем, что датчик является датчиком тока.26. Детонатор по п.21, отличающийся тем, что датчик является датчиком напряжения.27. Детонатор по п.21, отличающийся тем, что датчик является радиочастотным датчиком, выполненным с возможностью обнаружения радиочастотной идентификационной метки.28. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что адресуемая микросхема выполнена с возможностью разъединения инициатора, взрываемого снизу от связки инициаторов.29. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит корпус, выполненный с возможностью содержания детонирующего блока.30. Детонатор по п.29, отличающийся тем, что корпус имеет внешний диаметр приблизительно 0,28 дюйма.31. Детонатор по п.29, отличающийся тем, что корпус приспособлен для соединения с детонационным шнуром, имеющим заданный диаметр.32. Детонатор по п.31, отличающийся тем, что корпус имеет внешний диаметр, по существу, равный диаметру детонационного шнура.33. Способ изготовления детонатора в сборе, содержащий этапы, на которых конденсаторный разрядный блок механически и электрически соединяют с трансформатором, механически и электрически соединяют адресуемую микросхему с трансформатором и электрически соединяют микропереключатель и инициатор с конденсаторным разрядным блоком.34. Способ по п.33, отличающийся тем, что конденсаторный разрядный блок содержит механическое и электрическое соединение резистора и конденсатора.35. Способ по п.33, отличающийся тем, что дополнительно содержит взрывчатое вещество, примыкающее к инициатору.36. Кумулятивная торпеда, содержащая первое взрывчатое вещество с металлической облицовкой и детонатор в сборе, встроенный в первое взрывчатое вещество, причем детонатор в сборе содержит инициатор, конденсатор и второе взрывчатое вещество, примыкающее к инициатору.37. Кумулятивная торпеда по п.36, отличающаяся тем, что инициатор и конденсатор сплавлены или скреплены вместе для образования отдельного блока.38. Кумулятивная торпеда по п.36, отличающаяся тем, что конденсатор расположен снаружи от первого взрывчатого вещества, а инициатор и конденсатор электрически соединены вместе кабелем.39. Кумулятивный заряд, содержащий первое взрывчатое вещество с металлической облицовкой и детонатор в сборе, содержащий инициатор, конденсатор и второе взрывчатое вещество, примыкающее к инициатору, при этом второе взрывчатое вещество находится в прямом контакте с первым взрывчатым веществом.40. Кумулятивный заряд по п.39, отличающийся тем, что инициатор и конденсатор механически соединены для образования объединенного блока.41. Кумулятивный заряд по п.39, отличающийся тем, что конденсатор расположен снаружи от первого взрывчатого вещества и инициатор и конденсатор электрически соединены вместе кабелем.42. Детонатор в сборе, содержащий конденсаторный разрядный блок, причем конденсаторный разрядный блок содержит зарядный резистор, резистор утечки и конденсатор, механически и электрически соединенные вместе, инициатор, механически и электрически соединенный с конденсаторным разрядным блоком, причем инициатор выбран из группы, состоящей из взрывного фольгового инициатора, взрывной проволочной перемычки, полупроводниковой перемычки и нити накала, микропереключатель, механически и электрически соединенный с конденсаторным разрядным блоком и инициатором, взрывчатое вещество, примыкающее к инициатору, и корпус, выполненный с возможностью содержания конденсаторного разрядного блока, инициатора, инициирующего взрывчатого вещества и микропереключателя вместе, чтобы образовать объединенный детонирующий блок.43. Детонатор по п.42, отличающийся тем, что дополнительно содержит адресуемую микросхему, защитный фильтр, электрически соединенный с адресуемой микросхемой, и первый трансформатор, механически и электрически соединенный с адресуемой микросхемой и конденсаторным разрядным блоком, в котором адресуемая микросхема, защитный фильтр и первый трансформатор размещены внутри корпуса.44. Детонатор по п.43, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй трансформатор, электрически соединенный с микропереключателем, причем второй трансформатор приспособлен для генерирования пусковых импульсов, чтобы произвести взрыв инициатора.45. Способ взрывания, содержащий этапы, на которых выполняют подсоединение объединенного детонирующего блока к взрывному инструменту, развертывают взрывной инструмент в стволе скважины и взрывают инициатор для активизации взрывного инструмента, при этом объединенный детонирующий блок выполняют из конденсатора, инициатора, микропереключателя, адресуемой микросхемы, трансформатора и инициирующего взрывчатого вещества, механически и электрически соединенных вместе.46. Способ по п.45, отличающийся тем, что взрывным инструментом является кумулятивная торпеда.47. Способ по п.45, отличающийся тем, что взрывным инструментом является кумулятивный заряд.48. Способ по п.47, отличающийся тем, что дополнительно содержит выбор кумулятивного заряда для взрывания из множества кумулятивных зарядов, развернутых в стволе скважины.