EA031896B1 - Система и способ подрыва - Google Patents

Abstract

Инициирующее устройство для инициации заряда взрывчатого вещества, содержащее приемопередатчик для приема беспроводных управляющих сигналов, схему управления для обработки беспроводных управляющих сигналов, принятых приемопередатчиком, и источник света, выполненный с возможностью инициации заряда взрывчатого вещества и который активируется схемой управления.

Description

Настоящее изобретение относится к устройству для инициации заряда взрывчатого вещества, к системе подрыва, содержащей такое устройство и к способу подрыва с использованием такого устройства.

Изобретение может быть особенно полезно при проведении коммерческих взрывных работ, например, в горнодобывающей отрасли и при бурении нефтяных и газовых скважин.

Уровень техники

При проведении коммерческих взрывных работ обычно требуется инициировать насыпное или упакованное взрывчатое вещество в соответствии с заранее определенным проектом взрыва, который определяет время и последовательность инициации отдельных зарядов при взрыве. В этом контексте насыпное или упакованное взрывчатое вещество выполняет работу по дроблению скальной породы и т.д. - это рабочий или основной заряд взрывчатого вещества. Этот заряд взрывчатого вещества обычно инициируется путем подрыва меньшего заряда взрывчатого вещества, который неизменно является оболочечным зарядом в форме детонатора, выполненного как картридж. Детонатор имеет сигнальную связь с оборудованием управления подрывом, которое отвечает за его срабатывание. До сих пор существует потребность улучшения характеристик коммерческих взрывных работ за счет создания методик подрыва и используемых компонентов. Настоящее изобретение призвано внести свой вклад в удовлетворение этой потребности.

Раскрытие изобретения

Соответственно, в одном варианте настоящего изобретения предлагается инициирующее устройство для инициации заряда взрывчатого вещества, которое содержит приемопередатчик для приема беспроводных управляющих сигналов;

схему управления для обработки беспроводных управляющих сигналов, принятых приемопередатчиком; и источник света, подходящий для инициации заряда взрывчатого вещества и активируемый схемой управления.

При использовании такое инициирующее устройство будет оперативно соединено с зарядом взрывчатого вещества, способного к инициации источником света. Поэтому в другом варианте предлагается взрывное устройство, содержащее инициирующее устройство по настоящему изобретению и соединенный с ним заряд взрывчатого вещества, при этом заряд взрывчатого вещества адаптирован для инициации источником света.

Согласно настоящему изобретению также предлагается способ подрыва, в котором используется инициирующее устройство по настоящему изобретению, и система взрыва, содержащая инициирующее устройство и соединенное с ним оборудование управления подрывом.

Как будет описано ниже, настоящее изобретение соединяет способность беспроводной связи со световой инициацией заряда взрывчатого вещества. Считается, что такая комбинация может дать существенное улучшение существующих методик и компонентов для проведения взрывных работ.

Осуществление изобретения

Инициирующее устройство, используемое в настоящем изобретении содержит приемопередатчик, функцией которого является прием беспроводных коммуникационных сигналов, отправляемых с оборудования управления подрывом. Таким образом, устройством можно управлять дистанционно без необходимости в выполнении физических соединений (например проводами) для передачи управляющих сигналов, требуемых при взрывных работах. Предпочтительно приемопередатчик обладает способностью двухсторонней связи так, чтобы перед инициацией взрыва можно было проводить диагностику и проверку состояния. Использование беспроводной связи во взрывных работах известно, и приемопередатчики, которые могут использоваться в настоящем изобретении, известны и доступны, либо они могут быть изготовлены путем адаптации известных компонентов.

Инициирующее устройство также содержит схему управления. Основной ее функцией является обработка беспроводных управляющих сигналов, принимаемых приемопередатчиком и при получении соответствующего управляющего сигнала, активация соединенного источника света. На практике такая схема управления будет, вероятно, выполнять дополнительные функции и реагировать на разные управляющие сигналы, принимаемые приемопередатчиком.

Схема управления типично будет содержать какой-либо механизм синхронизации, чтобы обеспечить возможность точного управления активацией источника света при получении приемопередатчиком команды ОГОНЬ. Схема управления неизменно будет выполнена в форме интегральной схемы. Такие схемы хорошо известны. Они используются, например, в электронных детонаторах для управления функциональностью детонатора и инициацией по времени. Таким образом, специалистам известны конструкции и компоненты, применяемые в таких схемах.

Инициирующее устройство также содержит источник света, функцией которого является инициация заряда взрывчатого вещества, в которое или на которое направлен источник света. Источник света, используемый в конкретном устройстве, выбирается на основе типа инициируемого заряда взрывчатого вещества - правильное сочетание источника света и заряда взрывчатого вещества играет важную роль для реализации настоящего изобретения. Типично, заряд взрывчатого вещества каким-либо образом сенсибилизируют для того, чтобы его можно было инициировать данным источником света. Источник света

- 1 031896 может быть направлен непосредственно в/на заряд взрывчатого вещества, или свет от источника может подаваться к заряду взрывчатого вещества по соответствующему волноводу, например по оптоволокну, или непосредственным облучением, с помощью фокусирующей линзы или без нее.

Важным отличительным признаком настоящего изобретения является то, что каждое инициирующее устройство имеет собственный источник света и при использовании оно обычно устанавливается в скважину (или в шахту и т.п.). Источником света управляет схема управления устройства. Устройство находится под управлением (беспроводной) системы управления оборудования управления подрывом, но в остальном устройство является автономным. Это значит, например, что единую команду на подрыв можно послать на множество инициирующих устройств и эти устройства смогут осуществить подрыв независимо, в соответствии с задержкой, запрограммированной в цепи подрыва. Это позволит улучшить управление и надежность. Такая конструкция также позволяет получить фронт горения в поле взрыва, в котором конкретное инициирующее устройство или устройства было инициировано (светом), в то время как другие инициирующие устройства находятся в процессе выдержки до (световой) инициации.

Такая система должна отличаться от системы, в которой используется один (централизованный) источник света для подачи света по индивидуальным оптоволоконным кабелями к множеству точек требуемой инициации. Такая конструкция допускает лишь грубое регулирование, поскольку для инициации множества событий инициирования используется один источник света, и этот источник света может быть либо включен, либо выключен. Для управления передачей света по индивидуальным оптоволоконным кабелям потребовались бы оптические переключатели, что усложняет работу и повышает издержки. В системе такого типа могут возникнуть проблемы с надежностью, поскольку существует вероятность повреждения оптоволоконных кабелей при детонации расположенных рядом зарядов до или во время передачи света по таким оптоволоконным кабелям. Подход, используемый в настоящем изобретении свободен от таких недостатков.

В варианте настоящего изобретения инициирующее устройство содержит один приемопередатчик и множество соединенных схем управления и источников света. В этом варианте приемопередатчик выполнен с возможностью управлять множеством независимых схем управления и источников света, соединенных с этими схемами управления. Это позволяет в один шпур закладывать множество управляющих устройств (и источников света), и все схемы управления поддерживают связь с одним приемопередатчиком. Это позволяет каждой схеме управления и каждому источнику света инициировать соответствующий заряд взрывчатого вещества с независимой задержкой, в то же время поддерживая фронт горения. Другими словами, такой вариант позволяет осуществлять многоярусную загрузку шпура, используя один приемопередатчик, при этом здесь следует отметить, что скважинные компоненты (схемы управления и источники света) имеют независимое питание. В этом варианте приемопередатчик может быть расположен на поверхности на уровне земли, хотя, в зависимости от характера беспроводных команд, отправляемых на приемопередатчик, его можно располагать и под землей, в шпуре.

Согласно настоящему изобретению беспроводные управляющие сигналы отправляют с оборудования управления подрывом на приемопередатчик инициирующего устройства. Для обеспечения соответствующей передачи и приема управляющих сигналов можно использовать один или более механизм.

В одном варианте может потребоваться физически расположить приемопередатчик так, чтобы беспроводные управляющие сигналы можно было принимать непосредственно. Например, в этом случае может потребоваться установить приемопередатчик на вершине шпура. В этом случае связь может осуществляться с использованием стандартной радиочастотной системы передачи и стандартного протокола.

В другом варианте приемопередатчик можно установить под землей, а беспроводные управляющие сигналы передавать сквозь грунт как низкочастотные сигналы. Низкочастотная связь широко применяется в горнодобывающей отрасли и уже существует некоторое количество таких систем управления подрывом.

Дополнительную возможность может дать радиосеть от приемопередатчика до точки, в которой можно принимать управляющие сигналы. Например, если инициирующее устройство расположено в скважине, радиосеть может проходить от приемопередатчика по всей протяженности скважины до поверхности.

В еще одном варианте настоящего изобретения непосредственная связь между оборудованием управления подрывом и одним или более инициирующим устройством не нужна. В этом варианте используется прямая связь между этими компонентами за счет формирования маломощной сети, в которой одно или более инициирующих устройств работают как ретранслятор беспроводного управляющего сигнала на конкретное инициирующее устройство, если даже это устройство находится вне радиуса действия или по иным причинам не может принять беспроводной управляющий сигнал непосредственно. В этом варианте одно или более инициирующих устройств, не предназначенных для срабатывания по беспроводному управляющему сигналу, ретранслируют этот сигнал на одно или более инициирующих устройств, предназначенных для срабатывания по этому сигналу. Следует понимать, что в этом варианте инициирующие устройства также выполнены с возможностью передавать беспроводные управляющие сигналы. Формирование такой сети двухсторонней связи позволяет увеличить расстояние, на котором

- 2 031896 осуществляется эффективный прием беспроводных управляющих сигналов. Такой подход описан в международной патентной публикации WO 2006/076777 Wireless detonator assemblies and corresponding networks, содержание которой включено в настоящее описание путем ссылки.

Явным преимуществом применения сети инициирующих устройств для обеспечения передачи сигналов по полю взрыва является то, что если соединение с конкретным устройством теряется, можно использовать обходной маршрут связи вокруг потерянного соединения, тем самым сохраняя работоспособность. Система также может быть выполнена с возможностью диагностировать проблемы связи, что позволяет принять корректирующие меры. Это отличается от известных систем с непосредственной связью, где потеря одного канала связи обычно приводит к выходу из строя всей системы.

Другим преимуществом применения маломощной сети для облегчения передачи беспроводных управляющих сигналов является то, что такая сеть обладает потенциалом для двусторонней связи. В этом случае используют приемопередатчик, способный поддерживать двустороннюю связь. Это позволяет, например, инициирующему устройству отправлять информацию на оборудование управления подрывом о текущем состоянии сети устройств, а оборудованию управления подрывом передавать на отдельные инициирующие устройства протоколы синхронизации и команды на срабатывание. Таким образом, управление, синхронизацию и подрыв можно выполнять, используя дистанционную (беспроводную) систему с двусторонней связью, что позволяет взрывнику-оператору получать информацию о состоянии и характеристиках взрывной системы перед тем как выдать команду на взрыв. Это позволяет повысить безопасность взрывных работ. Другое преимущество заключается в том, что сеть имеет малую мощность и, следовательно, не создает помех другим коммуникационным системам, работающим на месте проведения взрывных работ. Далее, для эксплуатации сети малой мощности не требуется никаких особых разрешений.

В инициирующем устройстве необходимо, чтобы приемопередатчик поддерживал связь со схемой управления. Эти два компонента могут быть объединены, например, в одном корпусе, или они могут быть отдельными узлами, но соответственно соединенными для передачи сигналов, например, по проводам, в беспроводном режиме, или с помощью оптических средств связи. Аналогично, схема управления должна поддерживать связь с источником света для активации источника света по мере необходимости. Схема управления и источник света могут быть расположены вместе, например, в одном корпусе, или отдельно друг от друга, но с соответствующим соединением. Инициирующее устройство также требует источника питания для работы приемопередатчика, схемы управления и источника света. Источник питания может быть физически соединен с устройством или его компонентом, но это не существенно. В этом случает необходимо выполнять требования и нормы техники безопасности, относящиеся к источникам питания для скважинного оборудования.

Источник питания может иметь известную конструкцию, например он может быть низковольтным аккумулятором (размещенным вместе с компонентом источника света) или суперконденсатором, заряжаемым от аккумулятора. В последнем случае суперконденсатор можно заряжать с помощью аккумулятора, расположенного на поверхности, тогда как суперконденсатор является частью скважинного оборудования.

В другом варианте один или более из компонентов устройства могут получать питание от менее известных средств. Например, можно использовать средства окружающей среды, такие как солнечную энергию. Могут существовать и другие средства, зависящие от того как настоящее изобретение будет реализовано на практике. Однако может возникнуть потребность в работе устройства по изобретению без необходимости известных источников питания, таких как аккумулятор.

Из вышеизложенного понятно, что функциональные компоненты приемопередатчика и источник света могут быть физически разделены (управляющее устройство может быть соединено с любым из них). Таким образом, приемопередатчик можно расположить на уровне земли или над землей, а источник света (выполняющий запальную функцию устройства) находится рядом с взрывной цепью или на вершине взрывной цепи (рабочих взрывчатых веществ) в скважине. Это дает несколько преимуществ:

упрощение конструкции для приема беспроводных управляющих сигналов, приемопередатчик можно использовать для передачи данных о характеристиках взрыва во время и, возможно, после взрыва; например, если передатчик и управляющее устройство соединены проводами, провод можно использовать для измерения VOD в скважине по изменению сопротивления, и передавать эту информацию назад в центр управления, можно уменьшить размеры скважинных компонентов, что дает преимущества для скважин небольшого диаметра; современные твердотельные лазеры имеют очень компактную конструкцию, как было указано, один приемопередатчик, например, расположенный на поверхности, может управлять активацией множества скважинных запальных устройств, за счет наличия множества точек вывода, что позволяет подсоединить множество устройств; это дает преимущество для скважин, в которых имеется множество детонаторов, например, для многоярусных скважин.

Для инициации рабочего или основного заряда взрывчатого вещества согласно настоящему изобретению можно использовать заряд взрывчатого вещества, которое инициируется светом. В этом случае заряд инициируемого светом взрывчатого вещества является небольшим, но, тем не менее, эффективным

- 3 031896 для детонации основного заряда взрывчатого вещества. В этом случае заряд инициируемого светом взрывчатого вещества может быть заключен в оболочку, как и обычный детонатор в форме картриджа.

Свет можно подавать в картридж непосредственно или по оптоволокну.

В другом варианте для детонации основного заряда взрывчатого вещества используется заряд инициируемого светом взрывчатого вещества, но в конструкции отсутствует детонатор. В этом случае заряд инициируемого светом взрывчатого вещества находится в непосредственном контакте по меньшей мере с частью основного заряда или эти два заряда могут быть разделены мембраной, которая не влияет на детонацию основного заряда взрывчатого вещества. Такой подход описан в международной патентной публикации WO 2008/113108 Initiation of explosives materials, содержание которой включено в настоящее описание путем ссылки. В этой публикации оговаривается использование оптоволокна для передачи света, но согласно настоящему изобретению это не является существенным признаком.

Соответственно, в этом варианте настоящего изобретения предлагается бездетонаторная система подрыва, содержащая рабочий заряд взрывчатого вещества, оболочечный заряд взрывчатого вещества и инициирующее устройство по настоящему изобретению, в котором инициирующее устройство выполнено с возможностью подавать свет на оболочечный заряд взрывчатого вещества, а оболочечный заряд взрывчатого вещества выполнен с возможностью инициации этим светом, и в которой инициация оболочечного заряда взрывчатого вещества приводит к инициации рабочего взрывчатого вещества.

Согласно этому варианту рабочий заряд взрывчатого вещества инициируется детонацией оболочечного заряда взрывчатого вещества. В свою очередь, инициация оболочечного заряда вызывается облучением заключенного в оболочку взрывчатого вещества соответствующим источником света. Таким образом, рабочее взрывчатое вещество инициируется без применения традиционного устройства детонатора.

Согласно этому варианту настоящего изобретения облучение оболочечного заряда осуществляется до тех пор, пока не возникнет его воспламенение. Оболочечный заряд и рабочий заряд расположены относительно друг друга так, что детонация оболочечного заряда приводит к инициации рабочего заряда. В варианте настоящего изобретения часть оболочечного заряда и часть рабочего заряда могут находиться в непосредственном контакте. Однако в других вариантах это может быть несущественно, если требуемое оперативное соотношение между зарядами сохраняется. Например, в некоторых вариантах заряды могут быть разделены мембраной и т.п. В этом случае мембрана и т.п. может использоваться для облегчения производства, и мембрана (и т.п.) не влияет на детонацию рабочего заряда.

Рабочий заряд используемого взрывчатого вещества по существу также является вторичным взрывчатым веществом. Система подрыва по настоящему изобретению, таким образом, может не содержать первичных взрывчатых веществ. Взрывчатое вещество рабочего заряда может быть таким же, что и взрывчатое вещество заряда, инициируемого светом, или другим. Когда эти заряды содержат одно и то же взрывчатое вещество, настоящее изобретение можно реализовать путем заключения части массы взрывчатого вещества в оболочку.

Важным аспектом настоящего изобретения является способ заключения заряда взрывчатого вещества в оболочку, поскольку было обнаружено, что геометрия оболочки является критической для детонации рабочего взрывчатого вещества. Так, оболочечный заряд взрывчатого вещества следует заключать в оболочку так, чтобы поддерживалось начальное воспламенение и в последующем обеспечивалась возможность распространения [фронта горения] до полной детонации. Для реализации этого варианта настоящего изобретения можно использовать различные средства заключения в оболочку (геометрию и материалы).

В одном варианте оболочечный заряд взрывчатого вещества можно заключить в удлиненный трубчатый элемент. Обычно он имеет круглое сечение, хотя это не обязательно. Когда используется удлиненный трубчатый элемент, внутренний диаметр трубчатого элемента должен быть больше критического диаметра оболочечного заряда. Когда заряд взрывчатого вещества заключен в прочную оболочку, например, когда оболочка выполнена из металла, внутренний диаметр трубчатого элемента может до 3 раз превышать критический диаметр для заключаемого в оболочку взрывчатого вещества.

Типичный трубчатый элемент круглого сечения, полезный для настоящего изобретения, имеет внутренний диаметр приблизительно 2-5 мм, например 3 мм, и длину до приблизительно 110 мм, например от 20 до 110 мм. Длина трубчатого элемента, необходимого для сопряжения оболочечного заряда взрывчатого вещества меняется в зависимости от типа взрывчатого вещества. Например, для пентаэритритола тетранитрата (PETN) минимальная длина трубчатого элемента будет 90 мм (для внутреннего диаметра приблизительно 3 мм).

Средства оболочки могут иметь другую геометрию. Примерами материалов, подходящих для средства оболочки являются металлы и металлические сплавы, например, алюминий и сталь, и высокопрочные полимерные материалы.

Для иллюстрации ниже настоящее изобретение описывается на примере оболочки в форме трубчатого удлиненного элемента круглого сечения.

- 4 031896

Типично, рабочий заряд взрывчатого вещества находится в (непосредственном) контакте с частью оболочечного заряда взрывчатого вещества. Когда оболочечный заряд взрывчатого вещества является удлиненным трубчатым элементом, требуемый контакт может быть создан через конец трубчатого элемента, в котором заключено взрывчатое вещество (этот конец удален от того конца трубчатого элемента, в который по оптоволокну подается свет лазера). Когда применяются оболочки с другой геометрией, важно, чтобы по меньшей мере часть оболочечного заряда взрывчатого вещества находилась в контакте с рабочим взрывчатым веществом.

В варианте настоящего изобретения для передачи света от источника света на оболочечный заряд взрывчатого вещества может использоваться оптоволокно. Это можно получить, создав контакт, или путем внедрения одного (обнаженного) конца оптоволокна в оболочечный заряд взрывчатого вещества. Таким образом, один конец оптоволокна можно вставить в конец трубчатого элемента, в котором заключен заряд взрывчатого вещества. Оптоволокно обычно имеет диаметр от 50 до 400 мкм.

В сопутствующем варианте настоящего изобретения обнаженный конец оптоволокна можно расположить рядом, но не в контакте с (внешней поверхностью) оболочечного заряда взрывчатого вещества. Было обнаружено, что наличие зазора (или воздуха) между концом (обнаженного) оптоволокна и оболочечным зарядом взрывчатого вещества влияет на теплоперенос на оболочечный заряд взрывчатого вещества и, следовательно, на величину задержки между моментом прохождения света от лазера по оптоволокну и моментом инициации заключенного в оболочку взрывчатого вещества. Более конкретно, считается, что зазор работает как изолятор, который обеспечивает эффективный теплоперенос к заключенному в оболочку взрывчатому веществу, минимизируя/устраняя эффекты обратной проводимости.

Предпочтительно, обнаженный конец оптоволокна расположен на небольшом расстоянии от поверхности заключенного в оболочку взрывчатого вещества в трубчатом элементе. Типично, это небольшое расстояние составляет от 5 мкм до 5,0 мм.

Оптоволокно имеет обычную конструкцию и содержит слой покрытия. Его можно удалить на одном конце оптоволокна, когда оптоволокно позиционируют относительно взрывчатого вещества, заключенного в трубчатый элемент. Характеристики оптоволокна подбирают, помимо прочего, на основе длины волны света, излучаемого лазером и подаваемого на заключенное в оболочку взрывчатое вещество. Например, такая длина волны типично составляет от 780 до 1450 мм.

Обнаженный конец оптоволокна обычно удерживают в соответствующем положении относительно заключенного в оболочку взрывчатого вещества с помощью подходящего соединителя. Для захвата обнаженного конца оптоволокна и предотвращения утечки газа можно использовать уплотнительное кольцо.

В других вариантах нет необходимости использовать оптоволокно для передачи света от источника света на оболочечный заряд взрывчатого вещества. Такую конструкцию можно спроектировать и производить более экономично. В одном таком варианте можно передавать свет непосредственно от источника света на оболочечный заряд взрывчатого вещества. Здесь выход источника света будет расположен очень близко к оболочечному заряду взрывчатого вещества или даже касаться его. Например, окно лазерного диода может быть установлено рядом с оболочечным зарядом взрывчатого вещества или в контакте с ним. В другом варианте можно использовать линзу для фокусировки света от источника света на заряде взрывчатого вещества. Например, можно заменить окно лазерного диода на (сапфировую) линзу, которая фокусирует свет от этого диода на взрывчатом веществе. Такой подход может повысить эффективность.

Рабочий заряд взрывчатого вещества, который нужно детонировать, обычно приводят в (непосредственный) контакт по меньшей мере с частью оболочечного заряда взрывчатого вещества. Типично, такой контакт возникает на конце трубчатого элемента, в котором заключено взрывчатое вещество, который удален от конца трубчатого элемента, соединенного с оптоволокном. В зависимости от формы, в которой существует заряд взрывчатого вещества, этот заряд также может окружать трубчатый элемент, в котором заключено взрывчатое вещество. Другими словами, трубчатый элемент может быть вставлен в заряд взрывчатого вещества.

В сопутствующем варианте заряд взрывчатого вещества, который следует инициировать, имеет форму инициатора, например, пентолитового инициатора. В этом случае оболочечный заряд взрывчатого вещества, предпочтительно, пентаэритритола тетранитрата (PETN) или пентолита, заключают в удлиненный трубчатый элемент, который вставляют в инициатор. Инициатор может иметь соответствующую конструкцию, позволяющую разместить в нем трубчатый элемент. Таким образом, трубчатый элемент можно установить и закрепить в инициаторе в соответствующей скважине, как и в случае с инициаторами, приводимыми в действие детонаторами. В противном случае в этом варианте можно использовать известные инициаторы.

Альтернативно в другом сопутствующем варианте настоящего изобретения пентолитовый инициатор может загружаться вокруг соответствующего трубчатого элемента. В этом случае настоящее изобретение можно реализовать, используя инициатор, состоящий из одной детали, содержащей оболочку/кожух и интегрально сформированный трубчатый элемент, входящий в полость, образованную оболочкой/кожухом. Затем оболочку/кожух и трубчатый элемент можно заполнить подходящим взрывча- 5 031896 тым веществом (взрывчатыми веществами).

Эти варианты настоящего изобретения, относящиеся к инициатору, могут найти практическое применение в сейсморазведке, где (пентолитовые) инициаторы используют для генерирования сигналов (ударных волн) для анализа для определения геологических характеристик в поисках залежей нефти и газа. Этот вариант настоящего изобретения, таким образом, может применяться в сейсморазведке.

Заряд рабочего взрывчатого вещества также может принимать форму отрезка детонационного шнура. В этом случае конец детонационного шнура обычно находится в непосредственном контакте по меньшей мере с частью оболочечного заряда взрывчатого вещества. Для поддержания при эксплуатации такого контакта можно использовать любое подходящее удерживающее средство или соединитель. Помимо инициации детонационного шнура, этот детонационный шнур можно использовать известным способом. Мгновенная детонация детонационного шнура во множестве шпуров может дать преимущества при взрывных работах на предварительно расколотых породах или взрывных работах по периметру туннеля. В другом варианте сам детонационный шнур может использоваться для подрыва инициатора, например, инициатора, содержащего взрывчатое вещество в форме эмульсии. В этом случае один конец детонационного шнура будет внедрен во взрывчатое вещество инициатора, а второй конец будет доступен для инициации светом по настоящему изобретению.

В другом варианте оболочечный и рабочий заряды взрывчатых веществ могут содержать взрывчатое вещество в форме эмульсии. Для этого можно использовать известные взрывчатые вещества в форме эмульсии. В этом варианте часть взрывчатого вещества в форме эмульсии может быть заключена в подходящем удлиненном трубчатом элементе и погружена/внедрена в эмульсию рабочего заряда. В этом варианте (и во всех других) характер и размеры оболочки можно подбирать для оптимизации реализации изобретения.

В другом варианте заряд взрывчатого вещества, инициируемого светом, может сам по себе быть адекватным для достижения требуемого взрыва. Например, заряд взрывчатого вещества, размещенный в устройстве соответствующей конфигурации, может быть адекватным для перфорации обсадной колонны при разведке нефти и газа.

Заряд взрывчатого вещества, инициируемого светом, и источник света подбирают на основе требуемого результата и эти два компонента требуется соответствующим образом спарить. Примерами источника света, которые можно использовать, являются твердотельные лазеры, лазерные диоды, светоизлучающие диоды и другие электронные источники света. Желательными характеристиками источника света являются компактность конструкции и низкое потребление энергии. Для настоящего изобретения может подойти лазер мощностью, например, 1-10 Вт. Длина волны лазера может лежать в ближнем инфракрасном диапазоне, что является предпочтительным, но можно использовать и другие длины волн. Для проведения и фокусировки света, выводимого лазером, может потребоваться оптоволокно и/или линза, однако предпочтительным является непосредственное облучение заряда взрывчатого вещества, что упрощает общую конструкцию.

Обычно инициируемое светом взрывчатое вещество является вторичным взрывчатым веществом, таким как пентаэритритол тетранитрата (PETN), тетрил, гексаген, октоген, пентолит и т.п. При использовании предпочтение отдается пентаэритритолу тетранитрата (PETN) или пентолита. Однако заряд взрывчатого вещества может быть известным взрывчатым веществом в форме эмульсии, таким как взрывчатое вещество типа эмульсии масла в воде и водно-гелевые взрывчатые вещества.

В зависимости от характеристик источника света и заряда взрывчатого вещества может возникнуть необходимость дополнения заряда взрывчатого вещества теплопроводной средой для улучшения подачи световой энергии, излучаемой источником света на заряд взрывчатого вещества. Типично теплопроводной средой является светопоглощающий материал, который имеет полосу поглощения, в которую входит длина волны используемого света. К примеру теплопроводной среды относятся сажа, углеродные нанотрубки, наноалмазы и лазерные красители. Такие материалы известны и коммерчески доступны.

В варианте настоящего изобретения можно использовать известный фотографический импульсный осветитель (вспышку) для инициации заряда взрывчатого вещества. Например, известны неочищенные одностенные углеродные нанотрубки, которые можно заставить воспламениться при попадании на них света от стандартной фотовспышки. Считается, что это происходит из-за окисления наночастиц железа, являющихся катализаторами и присутствующих на концах или на поверхности нанотрубок.

Реакция инициации вспышкой проходит не особенно бурно, поскольку, вероятно, реагируют лишь небольшие участки нанотрубок. Однако если смешать наночастицы магния и/или наночастицы железа с наночастицами железа, может возникнуть более интенсивная и бурная реакция с выделением существенного количества теплоты. Типично, размер частиц железа и магния составляет от 2 до 4000 мкм, но предпочтительно он составляет порядка 6-100 мкм. Реакция может быть термитной реакцией со сформированным оксидом. Дополнительная теплота, связанная с такой реакцией, может позволить инициировать заряд взрывчатого веществ с добавленными нанотрубками или смесью наночастиц железа и магния. Такой же эффект можно получить, используя вместо фотовспышки светоизлучающий диод высокой интенсивности или лазер.

Таким же способом в оболочечный заряд взрывчатого вещества можно добавлять другие присадки,

- 6 031896 служащие источником теплоты и принимающие активное участие в реакциях детонации. Такие материалы включают нитрированные наноматериалы, кремниевую нанопроволоку, и другие светочувствительные виды топлива. Количество таких материалов может составлять 10 вес.% от оболочечного заряда взрывчатого вещества. Такие материалы можно использовать вместе со средой теплопереноса или отдельно. Применение одной или более сред теплопереноса и/или светочувствительных материалов позволяет добиться детонации при энергии облучения, порядок величины которой меньше, чем когда такая среда и/или материалы не используются.

Настоящее изобретение также относится к способу подрыва с использованием инициирующего устройства по настоящему изобретению. В этом случае источник света устройства находится в оперативном соединении с зарядом взрывчатого вещества, который выполнен с возможностью инициации светом, приходящим от источника света, используемого в устройстве. Способ содержит этап, на котором передают беспроводной сигнал соответствующей команды, который принимает приемопередатчик и обрабатывает схема управления. Схема управления активирует источник света, что приводит к инициации заряд взрывчатого вещества. Этот заряд взрывчатого вещества обычно соединен с соответствующим рабочим зарядом взрывчатого вещества и инициирует его.

Согласно настоящему изобретению предлагается система подрыва, содержащая инициирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением и оборудование управления подрывом, выполненное с возможностью передачи беспроводных управляющих сигналов на устройство.

Настоящее изобретение может найти применение в нефтегазовой промышленности. К возможным задачам в этой области относятся применение при завершении нефтяных и газовых скважин, особенно при инициации взрывчатых веществ при перфорации скважин. Перфораторы применяются на конечной стадии создания скважины (при завершении скважины) нефтяной или газовой скважины для разрушения бетонной (или выполненной из других материалов) обсадки скважины, уложенной во время проходки скважины. Другой целью перфоратора является дробление породы, удерживающей нефть для стимуляции потока нефти и/или газа. Эту операцию можно выполнять независимо от того, цела обсадка скважины или нет. Перфорацию нефтяных и газовых скважин обычно выполняют специалисты специализирующихся на этих работах сервисных компаний, хотя возможны и другие варианты.

Наличие первичного взрывчатого вещества (помимо прочего) в запальной цепочке перфоратора означает, что когда на рабочей платформе нефтяной или газовой скважины сформирована цепочка взрывчатых веществ, некоторые виды работ должны быть остановлены, что приводит к существенному снижению производительности скважины. Удаление первичных взрывчатых веществ из этой среды дает не только существенное повышение безопасности, характерной для вторичных (по сравнению с первичными) взрывчатых веществ, но и существенную экономическую выгоду. Настоящее изобретение позволяет осуществлять непосредственную фотоинициацию вторичных взрывчатых веществ, что устраняет опасность и позволяет продолжать проведение существенно более широкой номенклатуры работ.

Другой задачей, решаемой в рамках нефтегазовой отрасли, является сейсморазведка нефти и газа. Взрывчатые вещества являются важным источником сейсмической энергии, которая используется для исследования подземных геологических образований, способных содержать нефть и газ. При сейсморазведке один или множество зарядов взрывчатого вещества опускают на заранее определенную глубину (например в коротких скважинах) наборами заранее определенной конфигурации. Кроме того устанавливают набор сейсмоприемников (или других измерительных устройств) для измерения отраженной (а также, в некоторых случаях, прямой) сейсмической энергии. Затем взрывчатые вещества инициируют, регистрируют данные о полученной (включая фоновую) сейсмической энергии, и выполняют анализ для визуализации релевантных геологических признаков.

Наборы зарядов взрывчатых веществ обычно бывают довольно большими, по 10, 100 или даже 1000 отдельных зарядов. Эти заряды устанавливают относительно небольшие бригады, и между закладкой первого и последнего зарядов может пройти довольно много времени, в результате готовые к взрыву заряды довольно долго остаются в коротких скважинах. Дополнительные задержки могут быть вызваны технической деятельностью в области, окружающей место разведки, включая, помимо прочего, создание запальной цепочки, создание набора измерительных устройств или проведение других видов работ. Еще одним источником задержек могут являться другие проблемы, связанные с распределением персонала/оборудования, погода и другие сезонные проблемы. Все эти (и другие, не указанные) задержки приводят к относительно длительному времени ожидания взрывчатых веществ, т.е., времени между закладкой и инициацией. При сейсморазведке время ожидания может быть больше, чем при большинстве других видов взрывных работ и в этом контексте исключение первичных взрывчатых веществ является особенно предпочтительным.

Как указано выше, настоящее изобретение позволяет исключить использование первичных взрывчатых веществ. Одним из преимуществ в отношении безопасности при сейсморазведке является то, что общая чувствительность к детонации не специализированными средствами существенно снижается. Это является преимуществом во время сейсморазведки, поскольку снижает вероятность случайной детонации. Это также важно после сейсморазведки, поскольку известно, что определенная часть заложенных зарядов не детонирует. Эта часть может составлять до 10% в зависимости от условий на месте, но обыч- 7 031896 но она существенно меньше. Из-за опасностей, связанных с извлечением несработавших зарядов, многие из них оставляют на месте и бросают. Наличие высокочувствительных первичных взрывчатых веществ в этих установленных зарядах означает, что удар или другое событие может привести к случайной детонации неопределенным воздействием. Шансы на такое развитие событий существенно снижаются, если использовать настоящее изобретение, чтобы устранить первичные взрывчатые вещества.

Несмотря на сниженную чувствительность вторичных взрывчатых веществ к широкому перечню воздействий, система фотоинициации срабатывает только в ответ на конкретные воздействия. Зарекомендовавшие себя безопасные системы для генерирования таких воздействий существуют и включают помимо прочего, электронные системы, способные генерировать сигналы на поджиг, на отсутствие поджига, и на перевод в безопасное состояние. Крайне маловероятно, что сигнал на поджиг будет случайно сгенерирован в среде заброшенного заряда.

Другое преимущество устранения первичных взрывчатых веществ относится к охране окружающей среды, поскольку многие применяемые первичные взрывчатые вещества содержат высокотоксичные и стойкие к воздействию окружающей среды соединения. Одним примером тому является широкое применение в детонаторах азида свинца - азид является высокотоксичным ядом, а свинец является признанным загрязнителем окружающей среды, который не разлагается никакими естественными процессами. Хотя многие вторичные взрывчатые вещества классифицируются как стойкие загрязнители, существуют природные механизмы их естественного эффективного разложения, при этом сообщалось о широком применении биологического разложения всех вторичных взрывчатых веществ.

Специалистам должно быть понятно, что в изобретение можно внести различные изменения, не выходящие за пределы объема изобретения.

В настоящем описании и в приложенной формуле, если контекст не требует иного, слово содержит и его варианты, такие как содержащий и содержащие, следует понимать как включение указанного объекта или этапа или группы объектов или этапов, но без исключения любого другого объекта, этапа, группы объектов или этапов.

Ссылки в настоящем описании на любые предшествующие публикации (или на содержащуюся в них информацию) или на любые известные сведения, не являются и не должны считаться подтверждением или допущением, или любой формой предположения, что эта предшествующая публикация (или содержащаяся в ней информация) или известные сведения образуют часть общеизвестных общих сведений в области техники, к которой относится настоящее описание.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Инициирующее устройство для инициации заряда взрывчатого вещества, содержащее приемопередатчик для приема беспроводных управляющих сигналов;

   источник света, пригодный для инициации заряда взрывчатого вещества; и схему управления, ассоциированную с источником света, причем схема управления (i) выполнена с возможностью обработки беспроводных управляющих сигналов, принятых приемопередатчиком, и (ii) содержит механизм синхронизации для обеспечения возможности точного управления активацией источника света при приеме приемопередатчиком команды на поджиг, при этом источник света (i) активируется схемой управления и (ii) испускает свет непосредственно на/в заряд взрывчатого вещества, и при этом заряд взрывчатого вещества является вторичным взрывчатым веществом.
2. 2. Устройство по п.1, в котором приемопередатчик выполнен с возможностью приема только беспроводных управляющих сигналов.
3. 3. Устройство по п.1, в котором приемопередатчик выполнен с возможностью двусторонней связи.
4. 4. Устройство по п.1, в котором схема управления имеет дополнительную функциональность и реагирует на различные беспроводные управляющие сигналы, принимаемые приемопередатчиком.
5. 5. Устройство по п.1, содержащее один приемопередатчик и множество соединенных с ним схем управления и источников света, причем каждый источник света активируется одной схемой управления.
6. 6. Бездетонаторная система подрыва, содержащая рабочий заряд взрывчатого вещества;

   оболочечный заряд взрывчатого вещества, который является вторичным взрывчатым веществом; и инициирующее устройство по любому из пп.1-5, причем инициирующее устройство выполнено с возможностью подачи света на оболочечный заряд взрывчатого вещества, а оболочечный заряд взрывчатого вещества выполнен с возможностью инициации этим светом, и при этом инициация оболочечного заряда взрывчатого вещества вызывает инициацию рабочего заряда взрывчатого вещества.
7. 7. Система подрыва, содержащая инициирующее устройство по любому из пп.1-5 и оборудование для управления подрывом, выполненное с возможностью передачи на устройство беспроводных управляющих сигналов.
8. 8. Способ подрыва с использованием инициирующего устройства по любому из пп.1-5, причем способ содержит этап, на котором передают на устройство беспроводной управляющий сигнал ОГОНЬ, принимают управляющий сигнал посредством приемопередатчика, обрабатывают управляющий сигнал

   - 8 031896 посредством схемы управления и активируют источник света посредством схемы управления, тем самым вызывая инициацию заряда взрывчатого вещества.
9. 9. Способ по п.8, в котором отправляют один беспроводной управляющий сигнал ОГОНЬ в набор инициирующих устройств, при этом упомянутые устройства затем осуществляют поджиг независимо в соответствии с задержкой, запрограммированной в схеме управления соответствующих устройств.
10. 10. Способ по п.8, в котором один приемопередатчик принимает беспроводной управляющий сигнал и множество ассоциированных схем управления обрабатывают управляющий сигнал и активируют множество ассоциированных источников света.
11. 11. Способ по п.8, в котором приемопередатчик физически расположен таким образом, чтобы беспроводные управляющие сигналы могли быть приняты непосредственно, используя стандартные радиочастотные системы и протоколы передачи.
12. 12. Способ по п.8, в котором приемопередатчик расположен ниже уровня земли и беспроводные управляющие сигналы передают сквозь землю посредством низкочастотных сигналов.
13. 13. Способ по п.8, в котором антенная система проходит от приемопередатчика до точки, в которой могут быть приняты беспроводные управляющие сигналы.
14. 14. Способ по п.8, при котором формируют маломощную сеть, в которой одно или более инициирующее устройство действует для ретрансляции беспроводного управляющего сигнала в конкретное инициирующее устройство, даже если это устройство находится вне зоны действия или по иным причинам не может непосредственно принять беспроводной управляющий сигнал.