DE19912641A1 - Method of triggering detonators over a long line - Google Patents
Method of triggering detonators over a long lineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslösen von Zündern über eine Leitung großer Länge entsprechend dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to a method for triggering detonators via a line great length according to the preamble of the first claim.
Bohrungen, die der Exploration und dem Aufschluß von Öl- und Gasfeldern dienen, erstrecken sich über Längen, die insbesondere horizontal bereits weit über 10 000 m hinausreichen. Das Bohrloch wird meist an mehreren, vorgegebenen Stellen perforiert, um den Zutritt beispielsweise des Öls zum Bohrloch zu ermöglichen. Andere Sprengungen lockern das Gestein in der Umgebung des Bohrlochs, um den Zufluß des Öls zum Bohrloch zu erleichtern. Zu diesen Zwecken werden an den vorgesehenen Stellen geeignete Sprengladungen positioniert, die mit Sprengzündern in einer vorgegebenen Reihenfolge gezündet werden. Dabei werden auch mehrere, hintereinanderliegende Zünder über eine gemeinsame Leitung gezündet. Ein solcher Zündkreis ist beispielsweise aus der EP 0 588 685 B1 bekannt. Die Zünder werden jeweils einzeln angesteuert und dann ausgelöst. Das Zündsignal besteht aus einer Informationskomponente zur Adressierung und Entsicherung der einzelnen Zünder und einer Energiekomponente, die die Zündung auslöst.Drilling for exploration and exploration of oil and gas fields, extend over lengths that are in particular horizontally well over 10,000 m reach out. The borehole is usually at several predetermined locations perforated to allow, for example, oil to enter the well. Other blasts loosen the rock around the borehole Facilitate flow of oil to the borehole. For these purposes, the Provided appropriate explosive charges positioned with detonators be fired in a predetermined order. Several, successive detonators ignited via a common line. Such a Ignition circuit is known for example from EP 0 588 685 B1. The detonators will controlled individually and then triggered. The ignition signal consists of a Information component for addressing and releasing the individual detonators and an energy component that triggers the ignition.
Bekannte elektronische Zünder benötigen eine Entsicherungssequenz, die aus Polaritätswechseln der Nennspannung besteht, die am Ausgang der Zünderauslöseeinrichtung anliegt. Neben der Anzahl der Wechsel wird die Zeit zwischen den Wechseln der Entsicherungssequenz ausgewertet. Nur bei korrekter Anzahl von Polaritätswechseln in einer definierten Zeit und einer definierten Flankensteilheit der Polaritätswechsel wird dieser Code vom elektronischen Zünder akzeptiert.Known electronic detonators need an unlocking sequence that comes from Polarity changes of the nominal voltage exists at the output of the Ignition release device is present. In addition to the number of changes, the time evaluated between changes in the unlocking sequence. Only if it is correct Number of polarity changes in a defined time and a defined Slope of polarity change, this code is from the electronic detonator accepted.
Bei großen Leitungslängen stößt die Informationsübertragung an ihre Grenzen. Der Spannungspegel kann so niedrig und die Signale der übermittelten Daten können so verzerrt sein, daß der Zünder die Signale nicht erkennt und keine Zündung ausgelöst wird. Die Verzerrung der Signale wird vorrangig durch die mangelnde Flankensteilheit zwischen den Polaritätswechseln der Nennspannung hervorgerufen. Die Ursache für diese Störungen liegt in den kapazitiven und induktiven Verhalten der langen Leitung sowie der den Zündern vorgeschalteten Verbrauchern wie beispielsweise dem Vorschubantrieb des Bohrkopfs in horizontaler Richtung, dessen Schutzrelais, den Hilfswerkzeugen und der Positioniereinrichtung. Diese Verbraucher werden über dieselbe Leitung mit Energie versorgt, über die die Zünder ausgelöst werden. Bei Abschaltung der Versorgungsspannung und Aufschaltung der Signal- und Zündspannung zur Datenübermittlung beziehungsweise Auslösung der Zünder werden die sich entladenden Kapazitäten der Verbraucher durch diese Spannung aufgeladen. Die Folge ist ein Spannungsabfall und dadurch bedingt eine Signalschwächung.With long cable lengths, information transmission reaches its limits. The Voltage levels can be so low and the signals of the transmitted data can be so be distorted that the detonator does not recognize the signals and no ignition is triggered becomes. The distortion of the signals is primarily due to the lack of slope between the polarity changes of the nominal voltage. The cause of this interference lies in the capacitive and inductive behavior of the long line and the upstream consumers such as the Feed drive of the drill head in the horizontal direction, its protective relay, the Auxiliary tools and the positioning device. These consumers are over supplies the same line with which the detonators are triggered. At Switching off the supply voltage and switching on the signal and Ignition voltage for data transmission or triggering of the detonators are the discharging capacities of consumers through this voltage charged. The result is a voltage drop and therefore one Signal weakening.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine störungsfreie Auslösung von Zündern, insbesondere Sprengzündern, über eine Leitung großer Länge sicherzustellen.It is therefore the object of the present invention to provide trouble-free triggering detonators, in particular detonators, over a long line ensure.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.The task is solved with the help of the characteristic features of the first Claim. Advantageous embodiments of the invention are in the Claimed claims.
Erfindungsgemäß werden die Auswirkungen der kapazitiven Widerstände auf die Signale der Zünderauslöseeinrichtung dadurch vermindert, daß vor der Auslösung der Zünder auf die Leitung zu den Zündern eine Gleichspannung aufgeschaltet wird, mit der die Kapazitäten der Verbraucher auf ein solches Niveau aufgeladen werden, daß bei der nachfolgenden Generierung der Signale zur Auslösung der Zünder die Kapazitäten der Verbraucher keine Wirkung mehr zeigen. Die Kapazitäten der Verbraucher entladen sich nach ihrer Aufladung zwar wieder, aber die zuvor erfolgte Aufladung auf ein hohes Niveau stellt sicher, daß zumindest bis zum Zeitpunkt der Auslösung des letzten Zünders keine durch Ladungsverluste bedingte Aufladung der Kapazitäten erfolgt. Dadurch sinkt die zur Generierung der Signale erforderliche Nennspannung nicht unter ihr erforderliches Niveau.According to the invention, the effects of the capacitive resistors on the Signals of the detonator trigger device is reduced in that before the triggering of the Detonator is connected to the line to the detonators with a DC voltage which will boost consumer capacities to such a level that in the subsequent generation of the signals for triggering the detonators Consumer capacities no longer have an effect. The capacities of the Consumers discharge themselves after they have been recharged, but the previous one Charging to a high level ensures that at least until the time of Release of the last detonator does not result in a charge caused by charge losses Capacities. This reduces the amount required to generate the signals Nominal voltage not below the required level.
Um die Aufladung der Kapazitäten auf ein entsprechend hohes Niveau sicherzustellen, ist es von Vorteil, wenn die aufgeschaltete Gleichspannung höher ist als die Nennspannung zur Generierung der Signale. Beträgt beispielsweise die Nennspannung 24 Volt, so kann zum Aufladen der Kapazitäten eine Spannung von 28 Volt Gleichspannung vorgesehen sein. Um eine Aufladung der Kapazitäten auf das gewünschte Niveau sicherzustellen, kann eine entsprechende Zeit vorgesehen sein, in der die erhöhte Spannung aufgeschaltet wird. Beim vorgesehenen Beispiel wäre eine Aufschaltdauer von etwa 5 Sekunden vorteilhaft.To recharge capacities to a correspondingly high level it is advantageous to ensure that the applied DC voltage is higher than the nominal voltage for generating the signals. For example, Nominal voltage 24 volts, a voltage of 28 volts can be used to charge the capacities DC voltage may be provided. To charge the capacities on the to ensure the desired level, a corresponding time can be provided in which the increased voltage is applied. The example provided would be an activation period of about 5 seconds is advantageous.
Zu beachten ist, daß die erhöhte Spannung unterhalb einer kritischen Spannung liegt die die Auslösung eines Zünder verursachen kann. Die Zünder sind in der Regel so ausgelegt, daß sie eine im bestimmten Umfang über die Nennspannung, die zur Generierung der Signale zur Auslösung eines Zünders vorgesehen ist, resistent sind, ohne daß sie auslösen. Entsprechend der Erfindung wird allerdings der vorgesehene Toleranzbereich nicht ausgeschöpft, um jegliches Risiko zu vermeiden, andererseits wird die Höhe der Spannung so gewählt, daß innerhalb sehr kurzer Zeit die beabsichtigte Aufladung der Kapazitäten der Verbraucher möglich wird.It should be noted that the increased voltage is below a critical voltage that can trigger a detonator. The detonators are usually like this designed to be a certain extent beyond the nominal voltage, which is used for Generation of the signals for triggering an igniter is provided, are resistant, without triggering them. According to the invention, however, the intended Tolerance not exhausted to avoid any risk, on the other hand the amount of voltage is chosen so that the intended charging of consumer capacities becomes possible.
Da die kapazitiven Widerstände je nach Länge der Leitung und der in das Bohrloch verbrachten und an ihr angeschlossenen zusätzlichen Verbraucher unterschiedlich ist, ist es vorteilhaft, wenn vor einer Aufladung der Kapazitäten der Verbraucher der kapazitive Widerstand ermittelt und in Abhängigkeit seiner Größe die zur Aufladung der Kapazitäten mindestens erforderliche Gleichspannung bestimmt wird. Dadurch ist sichergestellt, daß keine den kritischen Wert der Spannung zur Auslösung eines Zünders überschritten wird. Die aufzuschaltende Gleichspannung kann damit individuell auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden. Because the capacitive resistances depend on the length of the line and that in the borehole spent and connected to additional consumers is different, it is advantageous if, before charging the capacities of the consumers capacitive resistance determined and depending on its size for charging the capacities at least the required DC voltage is determined. This is ensures that none of the critical value of the voltage to trigger a Zünders is exceeded. The DC voltage to be applied can thus can be individually tailored to the respective application.
Die Leitung zu den Zündern mit ihren zusätzlich angeschlossenen Verbrauchern stellt aufgrund der Induktivitäten und Kapazitäten einen Schwingkreis mit einer Tiefpaßfilter-Wirkung dar. Die Tiefpaßfilter-Wirkung wird insbesondere durch die Kapazitäten beeinflußt. Durch Bestimmung des kapazitiven Widerstands läßt sich die kritische Frequenz ermitteln, ab der die Tiefpaßfilter-Wirkung eintritt. Daraufhin wird eine geeignete Signalfrequenz gewählt, um die Tiefpaßfilter-Wirkung wirksam auszuschließen. Es wird erfindungsgemäß eine so weit herabgesetzte Frequenz gewählt, daß in jeder Periode die Spannung wieder bis auf die Endspannung ansteigt. Weiterhin muß diese Spannung über eine vorgebbare Zeit bis zum nächsten Polaritätswechsel auf ihrem Nenn-Niveau anliegen, damit die charakteristische Signalprägung beibehalten wird und die Polaritätswechsel von den Signalempfängern des Zünders auch erkannt werden.The line to the detonators with their additional consumers connected a resonant circuit with a due to the inductances and capacitances Low pass filter effect. The low pass filter effect is particularly by the Capacities affected. By determining the capacitive resistance, the determine the critical frequency from which the low-pass filter effect occurs. Thereupon will an appropriate signal frequency chosen to make the low pass filter effect effective to exclude. According to the invention, the frequency is reduced so far chosen so that the voltage rises again to the final voltage in each period. Furthermore, this voltage must last for a predefinable time until the next Polarity changes at their nominal level so that the characteristic Signal embossing is maintained and the polarity changes by the signal receivers of the detonator can also be recognized.
Anhand folgender Darstellung wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with the aid of the following illustration.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Bohrlochbestückung mit Sprengzündern und zusätzlichen Verbrauchern, Fig. 1 is an equivalent circuit diagram of a downhole assembly with detonators and additional consumers,
Fig. 2 den herkömmlichen Verlauf der Signal- und Zündspannung bei der Ankunft an einem Zünder und Fig. 2 shows the conventional course of the signal and ignition voltage upon arrival at an igniter and
Fig. 3 den Verlauf der Signal- und Zündspannung entsprechend der Erfindung. Fig. 3 shows the course of the signal and ignition voltage according to the invention.
In Fig. 1 ist mit 1 das Ersatzschaltbild einer Bohrlochbestückung mit Sprengzündern und zusätzlichen Verbrauchern dargestellt. Von der Zünderauslöseeinrichtung 2 führt eine Leitung 3 mit zwei Leitungssträngen 3a und 3b zu den Zündern 4a, 4b und 4c. Ihnen zugeordnet sind die jeweils zu zündenden Ladungen 5a, 5b und 5c. Die zusätzlichen Verbraucher sind als ohmsche Widerstände 6, induktive Widerstände 7 sowie kapazitive Widerstände 8 symbolisiert. Es sind beispielsweise der Vorschubantrieb des Bohrkopfes, dessen Schutzrelais, die Hilfswerkzeuge sowie die Positioniereinrichtung. Zur Versorgung insbesondere des Vorschubantriebs des Bohrkopfs ist eine höhere Spannung erforderlich als zur Generierung der zum Auslösen der Zünder erforderlichen Signale. Die Spannungsquelle zur Versorgung dieser zusätzlichen Verbraucher ist mit 9 bezeichnet. Mit 10 bezeichnet ist ein Schutzschalter, mit dem die Zünder 4a bis 4c während der Versorgung der übrigen Verbraucher über die Spannungsquelle 9 von den Leitungssträngen 3a und 3b getrennt werden. Mit 11 ist eine Steuereinrichtung bezeichnet, mit der, wie durch eine Leitung 12 angedeutet, der Schutzschalter 10 betätigt werden kann. Um die Spannungsquelle 9 von den Verbrauchern trennen, ist ein weiterer Schalter 13 vorgesehen, der, wie durch die Leitung 14 angedeutet, von der Steuereinrichtung 11 betätigt werden kann.In Fig. 1, 1 is the equivalent circuit diagram of a borehole with detonators and additional consumers. A line 3 with two wiring harnesses 3 a and 3 b leads from the detonator triggering device 2 to the detonators 4 a, 4 b and 4 c. The charges 5 a, 5 b and 5 c to be ignited are assigned to them. The additional consumers are symbolized as ohmic resistors 6 , inductive resistors 7 and capacitive resistors 8 . For example, it is the feed drive of the drill head, its protective relay, the auxiliary tools and the positioning device. To supply the feed drive of the drill head in particular, a higher voltage is required than to generate the signals required to trigger the detonators. The voltage source for supplying these additional consumers is designated by 9 . Designated by 10 is a circuit breaker with which the detonators 4 a to 4 c are separated from the wiring harnesses 3 a and 3 b while the other consumers are being supplied via the voltage source 9 . With 11 a control device is designated with which, as indicated by a line 12 , the circuit breaker 10 can be operated. In order to separate the voltage source 9 from the consumers, a further switch 13 is provided which, as indicated by the line 14 , can be actuated by the control device 11 .
Wenn die Spannungsquelle 9 von der Leitung 3 getrennt ist, wird der Schutzschalter 10 geschlossen und die Spannungsquelle 15 auf die Leitungsstränge 3a, 3b aufgeschaltet, ohne daß zunächst Signale zur Auslösung der Zünder für 4a bis 4c generiert werden. Dann werden dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechend über eine mit 16 bezeichnete Prüfeinrichtung, die über die Leitungen 17 und 18 an die Leitungsstränge 3a bzw. 3b angeschlossen ist, der kapazitive Widerstand sowie der Spannungsabfall in der Leitung 3 ermittelt. Diese Werte werden über die Leitung 19 der Zündauslöseeinrichtung 2 übermittelt. Zur Aufladung der Kapazitäten 8 der Verbraucher wird dann über eine vorgebbare Zeit von der Spannungsquelle 15 eine höhere Spannung aufgeschaltet, als zur Generierung der Signale zur Auslösung der Zünder vorgesehen ist.If the voltage source 9 is disconnected from the line 3 , the circuit breaker 10 is closed and the voltage source 15 is connected to the line strands 3 a, 3 b without first generating signals for triggering the detonators for 4 a to 4 c. Then, in accordance with the present exemplary embodiment, the capacitive resistance and the voltage drop in line 3 are determined using a test device designated by 16 , which is connected to lines 3 a and 3 b via lines 17 and 18 . These values are transmitted via line 19 to the ignition trigger device 2 . To charge the capacitors 8 of the consumers, a higher voltage is then applied from the voltage source 15 over a predefinable time than is provided for generating the signals for triggering the detonators.
Mit der Prüfeinrichtung 16 kann auch vorgesehen werden, die kapazitiv bedingte Tiefpaßfilter-Wirkung der Leitung 3 und der angeschlossenen zusätzlichen Verbraucher aufgrund des kapazitiven Widerstandes zu ermitteln und an die Zünderauslöseeinrichtung 2 zu melden, damit von dieser eine auf den kapazitiven Widerstand der Leitung und der Verbraucher abgestimmte Frequenz der Potentialwechsel der Spannung zur Generierung der Signale zur Auslösung der Zünder eingestellt wird.The test device 16 can also be used to determine the capacitively caused low-pass filter effect of the line 3 and the connected additional consumers on the basis of the capacitive resistance and to report this to the detonator triggering device 2 , so that one detects the capacitive resistance of the line and the consumer adjusted frequency of the potential change of the voltage for generating the signals for triggering the detonators is set.
In Fig. 2 ist der herkömmliche Verlauf eines Signals bei der Ankunft an einem Zünder in einem Spannungs-Zeitdiagramm (U, t) dargestellt. Zur Generierung der Zündsignale wird von der Zünderauslöseeinrichtung 2 auf die Leitung 3 eine Gleichspannung der Spannungsquelle 15 in der Höhe Un+ aufgeschaltet. Es ist die zur Generierung der Signale erforderliche Nennspannung. Zum Zeitpunkt t0 beginnt die Signalfolge, gekennzeichnete durch einen Polaritätswechsel der Nennspannung zwischen den Polaritäten Un+ und Un- mit der Frequenz f. Die Dauer einer halben Periode ist mit t1 bezeichnet.In FIG. 2, the conventional course is of a signal upon arrival at an igniter in a voltage-time diagram (U, t). To generate the ignition signals, a direct voltage of the voltage source 15 at the level U n + is applied from the igniter trigger device 2 to the line 3 . It is the nominal voltage required to generate the signals. At time t 0 , the signal sequence, characterized by a change in polarity of the nominal voltage between the polarities U n + and U n-, begins with the frequency f. The duration of half a period is denoted by t 1 .
Im Idealfall müßte eine Rechteckschwingung der Nennspannung zwischen den beiden Polaritäten Un+ und Un- eintreten. Insbesondere aufgrund der kapazitiven und induktiven Widerstände erfolgt aber eine Verzerrung des Signalverlaufs. Innerhalb der Polaritätswechsel fallen und steigen die Flanken der Signalspannung stark verzögert und erreichen die jeweilige Nennspannung nicht mehr. Durch den Abfall auf eine niedrigere Spannung Uo beziehungsweise Uu sowie die Verzerrung der Signalflanken ist die Elektronik des Zünders nicht mehr in der Lage, das Signal zu erkennen.Ideally, there should be a square wave of the nominal voltage between the two polarities U n + and U n- . However, due to the capacitive and inductive resistances, the signal curve is distorted. Within the polarity changes, the edges of the signal voltage drop and rise with a considerable delay and no longer reach the respective nominal voltage. Due to the drop to a lower voltage U o or U u and the distortion of the signal edges, the electronics of the detonator are no longer able to recognize the signal.
Entsprechend der Erfindung erfolgt vor der Generierung der Signale eine Aufladung der Kapazitäten der Verbraucher. Dadurch muß die Signalspannung nicht mehr zusätzlich die Kapazitäten aufladen. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, wird bei jedem Polaritätswechsel die jeweilige Nennspannung Un+ beziehungsweise Un- erreicht.According to the invention, the capacities of the consumers are charged before the signals are generated. As a result, the signal voltage no longer has to additionally charge the capacitors. As can be seen from FIG. 3, the respective nominal voltage U n + or U n- is reached with each change in polarity.
Weiterhin ist die Frequenz fe im Hinblick auf die Tiefpaßfilter-Wirkung gegenüber der ursprünglichen Frequenz f nach Fig. 2 erniedrigt. Das Intervall t1 nach Fig. 2 wird um eine Zeit t2 verlängert. Innerhalb dieser Zeit steigt die Spannung jeweils auf die Nennspannung an und wird über eine vorgebbare Zeit t3 in dieser Höhe gehalten, bevor der nächste Polaritätswechsel einsetzt.Furthermore, the frequency f e is reduced with respect to the low-pass filter effect compared to the original frequency f according to FIG. 2. The interval t 1 according to FIG. 2 is extended by a time t 2 . During this time, the voltage rises to the nominal voltage and is held at this level for a predefinable time t 3 before the next polarity change begins.
Dadurch, daß bei jedem Polaritätswechsel die Nennspannung auch tatsächlich in ihrer vollen Höhe erreicht wird und über eine bestimmte, vorgebbare Zeit t3 in dieser Höhe gehalten wird, ist es der Elektronik des Zünders möglich, die Signale einwandfrei zu empfangen und zu identifizieren. Die Erfindung ermöglicht somit eine sichere und störungsfreie Signalübermittlung zwischen der Zünderauslöseeinrichtung und den Zündern und stellt damit sicher, daß auch jeder Zünder zu der vorgesehenen Zeit ausgelöst wird.Characterized in that the nominal voltage is actually reached in its full amount with each polarity change and is held at this level for a certain, predefinable time t 3 , it is possible for the igniter electronics to receive and identify the signals correctly. The invention thus enables a safe and interference-free signal transmission between the detonation trigger device and the detonators and thus ensures that each detonator is also triggered at the intended time.
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