NO338159B1 - Integrated detonators for use with explosive devices - Google Patents

Abstract

Detonatorsammenstilling omfattende en kondensatorutladningsenhet, hvor denne kondensatorutladningsenhet omfatter en ladningsmotstand, en avtappingsmotstand og en kondensator er mekanisk og elektrisk sammenkoplet, en utløser som er mekanisk og elektrisk forbundet med kondensatorutladningsenheten hvor utløseren er valgt fra en komponentgruppe bestående av en eksploderende folieinitiator, en eksploderende broledning, en halvlederbro og en varmtråd, en mikrobryter som er mekanisk og elektrisk forbundet med kondensatorutladningsenheten og utløseren, et initierende eksplosiv inntil utløseren, og et hylster innrettet for å sammenholde kondensatorutladningsenheten, utløseren, initierende eksplosiv og mikrobryteren sammen til å danne en integrert detoneringsenhet.A detonator assembly comprising a capacitor discharge unit, wherein this capacitor discharge unit comprises a charge resistor, a drain resistor and a capacitor are mechanically and electrically interconnected, a trigger mechanically and electrically connected to the capacitor discharge unit wherein the trigger is selected from a component group consisting of an exploding burner, an exploding burner, a semiconductor bridge and a hot wire, a microswitch mechanically and electrically connected to the capacitor discharge unit and the trigger, an initiating explosive to the trigger, and a sleeve arranged to match the capacitor discharge unit, the trigger, the initiating explosive and the microswitch together to form an integrated detonator.

Description

TEKNISK OMRÅDE TECHNICAL AREA

Foreliggende oppfinnelse gjelder generelt aktiveringsinnretninger, og nær-mer bestemt en integrert detonator for bruk ved aktivering av eksplosiver. The present invention generally relates to activation devices, and more specifically to an integrated detonator for use in activating explosives.

BAKGRUNN BACKGROUND

Eksplosiver er blitt brukt i mange typer anvendelser, slik som hydrokarbon-brønn-anvendelser, seismiske anvendelser, militær bestykning og mineleggings-anvendelser. Ved seismiske anvendelser blir eksplosiver utløst på jordoverflaten for å frembringe sjokkbølger nedover i jorden, slik at data som gjelder karakterise-ring av underjordiske forhold kan måles ved hjelp av forskjellige sensorer. I forbindelse med hydrokarbonbrønner, omfatter en vanlig brukt type eksplosiver formede ladninger i perforeringsskytere. Disse formede ladninger frembringer, når de detoneres, perforert ngsstråler for å frembringe perforeringshull gjennom et hvilket som helst omgivende hylster eller eventuell foring og da innover i den omgivende formasjon for å opprette fluidkommunikasjon mellom formasjonen og borebrønnen. I en brønn vil også andre verktøyer kunne inneholde eksplosiver. Eksplosiver kan f.eks. brukes for å innstille pakninger eller aktivere andre verktøyer. Explosives have been used in many types of applications, such as hydrocarbon well applications, seismic applications, military ordnance and minelaying applications. In seismic applications, explosives are released on the earth's surface to produce shock waves down into the earth, so that data relating to the characterization of underground conditions can be measured using various sensors. In the context of hydrocarbon wells, a commonly used type of explosives includes shaped charges in perforating guns. These shaped charges, when detonated, produce perforated ng jets to produce perforation holes through any surrounding casing or any casing and then into the surrounding formation to establish fluid communication between the formation and the wellbore. In a well, other tools may also contain explosives. Explosives can e.g. used to set gaskets or activate other tools.

For å detonere eksplosiver brukes detonatorer. Generelt kan detonatorer være av to typer, nemlig elektriske og slagutløsbare. En slagutløsbar detonator reagerer på en viss type mekanisk kraft for å aktivere et eksplosiv. En elektrisk detonator reagerer på et forut definert elektrisk signal for å aktivere et eksplosiv. En viss type elektrisk detonator betegnes som en elektroeksplosiv innretning (EED), som da kan omfatte varmtråds-detonatorer, halvlederbro-detonatorer (SCB), detonatorer med eksploderende bro-tråd (EBW), eller detonatorer med eksploderende folie-initiator (EFI). Detonators are used to detonate explosives. In general, detonators can be of two types, namely electric and shock-triggered. An impact detonator responds to some type of mechanical force to activate an explosive. An electric detonator responds to a predefined electrical signal to activate an explosive. A certain type of electrical detonator is referred to as an electro-explosive device (EED), which can then include hot wire detonators, semiconductor bridge detonators (SCB), exploding bridge wire (EBW) detonators, or exploding foil initiator (EFI) detonators.

Med visse typer elektriske detonatorer, blir en lokal elektrisk kilde plassert i nærheten av detonatoren. En slik elektrisk kilde kan foreligge i form av en kondensator-utladningsenhet som omfatter en kondensator som lades til en forutbestemt spenning. Som respons på et aktiveringssignal, blir den ladning som er laget i kondensatoren utladet i en annen enhet for derved å utføre en detonerningsprosess. På grunn av den forholdsvis store energimengde som vanligvis behøves, kan kondensatorutladningsenheten være ganske stor, hvilket da fører til økede omfangs-størrelser for hylstre i nedhullsverktøyet som inneholder slike kondensator-utladningsenheter. På grunn av de relativt store størrelser, vil videre effektiviteten ved vanlige kondensator-utladningsenheter være redusert på grunn av økt motstand og induktans i detonatorens elektriske ledningsbaner. With certain types of electric detonators, a local electrical source is placed near the detonator. Such an electrical source may be in the form of a capacitor discharge unit comprising a capacitor which is charged to a predetermined voltage. In response to an activation signal, the charge created in the capacitor is discharged into another unit to thereby perform a detonation process. Because of the relatively large amount of energy usually required, the capacitor discharge unit can be quite large, which then leads to increased scope sizes for casings in the downhole tool that contain such capacitor discharge units. Due to the relatively large sizes, the efficiency of conventional capacitor discharge units will also be reduced due to increased resistance and inductance in the detonator's electrical wiring paths.

SAMMENFATNING SUMMARY

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en detonatorsammenstilling, kjennetegnet ved at den omfatter: en kondensatorutladningsenhet, hvor denne kondensatorutladningsenhet omfatter en ladningsmotstand, en avtappingsmotstand og en kondensator som er mekanisk og elektrisk sammenkoplet, The present invention relates to a detonator assembly, characterized in that it comprises: a capacitor discharge unit, where this capacitor discharge unit comprises a charging resistor, a drain resistor and a capacitor which are mechanically and electrically interconnected,

en utløser som er mekanisk og elektrisk forbundet med kondensatorutladningsenheten hvor utløseren er valgt fra en gruppe bestående av en eksploderende folieinitiator, en eksploderende broledning, en halvlederbro og en varmtråd, a trigger mechanically and electrically connected to the capacitor discharge unit, the trigger being selected from the group consisting of an exploding foil initiator, an exploding bridge wire, a semiconductor bridge and a hot wire,

en mikrobryter som er mekanisk og elektrisk forbundet med kondensatorutladningsenheten og utløseren, a microswitch mechanically and electrically connected to the capacitor discharge unit and the release,

et initierende eksplosiv inntil utløseren, og an initiating explosive close to the trigger, and

et hylster innrettet for å holde kondensatorutladningsenheten, utløseren, det initierende eksplosiv og mikrobryteren sammen til å danne en integrert detoneringsenhet. a casing adapted to hold the capacitor discharge unit, the trigger, the initiating explosive and the microswitch together to form an integrated detonation unit.

Ytterligere utførelsesformer av detonatorsammenstillingen i henhold til oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav. Further embodiments of the detonator assembly according to the invention appear from the independent patent claims.

Generelt er det frembrakt en forbedret detonator som har mindre omfang og som vil være mer effektiv. I en viss utførelse omfatter en slik detonatorsammenstilling en energikilde (f.eks. en kondensator) med en viss overflate, hvor denne energikilde videre er utstyrt med elektroder. En motstand er utformet på overflaten av energikilden, hvor da den ene ende av denne motstand er elektrisk koplet til én av elektrodene. In general, an improved detonator has been produced which is smaller in size and will be more efficient. In a certain embodiment, such a detonator assembly comprises an energy source (e.g. a capacitor) with a certain surface, where this energy source is further equipped with electrodes. A resistor is formed on the surface of the energy source, where then one end of this resistor is electrically connected to one of the electrodes.

I visse utførelser kan motstander være utformet på overflaten av kondensatoren som en tykkfilms-påføring. En viss type motstand utgjør da f.eks. en ladningsmotstand. En annen type motstand kan utgjøre en avtappingsmotstand som forbinder de to elektroder. Overflaten av den kondensator som brukes for elektrisk kopling til en bryter og/eller en igangsetter, slik som en eksploderende folie-initiator (EFI). In certain embodiments, resistors may be formed on the surface of the capacitor as a thick film application. A certain type of resistance then constitutes e.g. a charging resistor. Another type of resistance can be a draining resistance that connects the two electrodes. The surface of the capacitor used for electrical connection to a switch and/or an initiator, such as an exploding foil initiator (EFI).

I andre utførelseseksempler omfatter en forbedret detonator en EFI, bryter, kondensator, avtappingsmotstand, transformator og en adresserbar brikke som er integrert til å danne en monolittisk enhet i samme størrelse som en vanlig varmtråds-detonator. Denne monolittiske enhet kan også omfatte et linjebeskyttelses-filter og et eksplosiv. In other embodiments, an improved detonator includes an EFI, switch, capacitor, tap resistor, transformer, and an addressable chip integrated to form a monolithic unit the same size as a conventional hot-wire detonator. This monolithic unit may also include a line protection filter and an explosive.

I et annet utførelseseksempel kan en forbedret detonator være innleiret i en rørledningskutter eller brukes for å sette i gang avfyring av en rørledningskutter eller strålekutter. Alternativt kan en utførelse av den forbedrede detonator brukes for å utløse én eller flere formede ladninger. In another embodiment, an improved detonator may be embedded in a pipeline cutter or used to initiate firing of a pipeline cutter or beam cutter. Alternatively, an embodiment of the improved detonator may be used to detonate one or more shaped charges.

Andre særtrekk og utførelser vil fremgå klart ut i fra den følgende beskrivelse, samt fra tegningene og de angitte patentkrav. Other special features and designs will be clear from the following description, as well as from the drawings and the stated patent claims.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Fig. 1A og 1B viser to verktøystrenger i samsvar med visse utførelser av oppfinnelsen. Fig. 2 viser et skjematisk elektrisk diagram for en detonatorsammenstilling som kan brukes i de angitte verktøystrenger i fig. 1A eller 1B. Figures 1A and 1B show two tool strings in accordance with certain embodiments of the invention. Fig. 2 shows a schematic electrical diagram of a detonator assembly which can be used in the indicated tool strings of Fig. 1A or 1B.

Fig. 3 viser en perspektivskisse av detonatorsammenstillingen. Fig. 3 shows a perspective sketch of the detonator assembly.

Fig. 4 viser detonatorsammenstillingen sett nedenfra. Fig. 4 shows the detonator assembly seen from below.

Fig. 5 viser skjematisk og sett fra siden en kondensator i detonatorsammenstillingen. Fig. 6 og 7 viser to forskjellige brytertyper som brukes i detonatorsammenstillingen i fig. 2. Fig. 8 A og 8B viser en utførelse av en mikrobryter i henhold til foreliggende oppfinnelse og som brukes i en integrert detonatoranordning. Fig. 9 viser et eksempel på den adresserbare arbeidsfunksjon for en utfør-else av den integrerte detonatoranordning som er angitt i fig. 8A og 8B. Fig. 10 viser et eksempel på en utførelse av den spenningsøkende transformator for den integrerte detonatoranordning. Fig. 11 viser en utførelse av den utløsbare gnistgapkrets i den integrerte detonatoranordning. Fig. 12 viser en utførelse av den piezoelektriske transformator i den integrerte detonatoranordning. Fig. 13A-B viser en utførelse av strålekutteren i den integrerte detonatoranordning. Fig. 14A-C viser en utførelse av foreliggende oppfinnelse for bruk ved detonering av en formet ladning eller et sett av formede ladninger i en skudd-for-skudd-prosess for å oppnå selektiv avfyring. Fig. 5 shows a schematic view from the side of a capacitor in the detonator assembly. Figs. 6 and 7 show two different switch types used in the detonator assembly in Fig. 2. Fig. 8 A and 8B show an embodiment of a microswitch according to the present invention and which is used in an integrated detonator device. Fig. 9 shows an example of the addressable work function for an embodiment of the integrated detonator device indicated in Fig. 8A and 8B. Fig. 10 shows an example of an embodiment of the voltage increasing transformer for the integrated detonator device. Fig. 11 shows an embodiment of the triggerable spark gap circuit in the integrated detonator device. Fig. 12 shows an embodiment of the piezoelectric transformer in the integrated detonator device. Fig. 13A-B shows an embodiment of the beam cutter in the integrated detonator device. Figs. 14A-C show an embodiment of the present invention for use in detonating a shaped charge or set of shaped charges in a shot-by-shot process to achieve selective firing.

DETALJERT BESKRIVELSE DETAILED DESCRIPTION

I den følgende beskrivelse, er tallrike detaljer angitt for å gi en forståelse av foreliggende oppfinnelse. Det vil imidlertid erkjennes av fagkyndige på området at foreliggende oppfinnelse vil kunne praktiseres uten disse detaljer og at tallrike ut-førelsesvarianter eller modifikasjoner av de beskrevne utførelser vil være mulig. In the following description, numerous details are set forth to provide an understanding of the present invention. However, it will be recognized by experts in the field that the present invention will be able to be practiced without these details and that numerous design variants or modifications of the described designs will be possible.

Slik de brukes her, vil uttrykkene "forbinde", "forbindelse", "forbundet", "i forbindelse med", samt "forbindende" blir brukt til å bety "i direkte forbindelse med" eller "i forbindelse med via et annet element", og uttrykkene, "mekanisk forbinde", "mekanisk forbindelse" og "mekanisk forbundet", "mekanisk forbindelse med", samt "mekanisk forbindende", vil da innebære direkte fysisk forbindelse med for å danne en monolittisk enhet, slik som sammenbundet, sammensmeltet eller integrert, mens uttrykket "innstilt" brukes i forbindelse med " ett element" eller "flere enn ett element", mens uttrykkene "opp" og "ned", "øvre" og "nedre", "oppover" og "nedover", "oppstrøms" og "nedstrøms", "over" og "under", samt andre lignende uttrykk som angir relative posisjoner på oversiden eller undersiden ved et gitt punkt eller element bli brukt i denne beskrivelse for klarere å beskrive disse utfør-elser av oppfinnelsen. Ved anvendelse på utstyr og fremgangsmåter for bruk i brønner som er avvikende eller horisontale, vil imidlertid slike uttrykk kunne be-tegne venstre til høyre, høyre til venstre eller eventuelt andre foreliggende sam-menhenger. Slik det brukes her, uttrykkene "opp" og "ned", "øvre" og "nedre", "oppover" og "nedover", "over" og "under", samt andre lignende uttrykk som angir relative posisjoner på oversiden eller undersiden av et gitt punkt eller et element, blir brukt i denne beskrivelse for klarere å beskrive visse utførelser av oppfinnelsen. Anvendt på utstyr og fremgangsmåter for anvendelse i brønner som er avvikende eller horisontale, eller når slikt utstyr befinner seg med avvikende eller hori-sontal orientering, vil imidlertid slike uttrykk henvise til et forhold venstre til høyre, høyre til venstre eller andre foreliggende forhold. As used herein, the terms "connecting", "connection", "connected", "in connection with", and "connecting" will be used to mean "in direct connection with" or "in connection with via another element" , and the expressions, "mechanically connected", "mechanically connected" and "mechanically connected", "mechanically connected with", as well as "mechanically connecting", will then imply direct physical connection with to form a monolithic unit, such as joined, fused or integrated, while the expression "set" is used in connection with "one element" or "more than one element", while the expressions "up" and "down", "upper" and "lower", "upward" and "downward", "upstream" and "downstream", "above" and "below", as well as other similar expressions indicating relative positions on the upper or lower side at a given point or element are used in this description to more clearly describe these embodiments of the invention. When applied to equipment and methods for use in wells that are deviated or horizontal, however, such expressions will be able to denote left to right, right to left or possibly other existing connections. As used herein, the terms "up" and "down", "upper" and "lower", "upwards" and "downwards", "above" and "below", as well as other similar expressions denoting relative positions on the upper or lower side of a given point or element, is used in this specification to more clearly describe certain embodiments of the invention. Applied to equipment and methods for use in wells that are deviated or horizontal, or when such equipment is located with a deviated or horizontal orientation, such expressions will, however, refer to a relationship left to right, right to left or other existing conditions.

Det skal nå henvises til fig. 1A hvor det er vist at en utførelse av en verktøy-streng omfatter en perforeringsstreng med en perforeringsskyter 20 og et avfyringshode 18. Denne perforeringsstreng er forbundet med enden av en bærerled- ning 12, slik som en trådledning, elektrisk kabel, glattledning, rørledning, og så videre. I den viste utførelse i fig. 1A, omfatter avfyringshodet 18 en eksploderende folie-initiator (EFI) i en detonatorsammenstilling 22 i henhold til en viss utførelse. Som det vil bli nærmere omtalt nedenfor, omfatter EFI-detonatorsammenstillingen 22 en integrert sammenstilling av en kondensatorutladningsenhet (CDU) og EFI. Det bør bemerkes at, i utførelser som utnytter trådledning eller rørledning til opp-henging av perforeringsstrengen, kan et nedhullsbatteri brukes for å tilføre effekt til Reference must now be made to fig. 1A where it is shown that one embodiment of a tool string comprises a perforating string with a perforating gun 20 and a firing head 18. This perforating string is connected to the end of a carrier line 12, such as a wire line, electric cable, smooth wire, pipeline, and so on. In the embodiment shown in fig. 1A, the firing head 18 includes an exploding foil initiator (EFI) in a detonator assembly 22 according to one embodiment. As will be discussed in more detail below, the EFI detonator assembly 22 comprises an integrated assembly of a capacitor discharge unit (CDU) and EFI. It should be noted that, in designs that utilize wireline or pipeline to suspend the perforating string, a downhole battery may be used to provide power to

EFI. EFI.

Nærmere bestemt har den integrerte kondensatorutladningsenhet en kondensator og en ladnings- eller avtapningsmotstand. Den integrerte kondensatorutladningsenhet omfatter en tykkfilm-krets som elektrisk forbinder kondensatoren og motstanden, så vel som andre komponenter. Specifically, the integrated capacitor discharge unit has a capacitor and a charge or drain resistor. The integrated capacitor discharge unit comprises a thick film circuit that electrically connects the capacitor and resistor, as well as other components.

Detonatorsammenstillingen 22 er koplet til en detoneringsstreng 24, som i sin tur er koplet til et antall formede ladninger 26. Aktivering av detonator-sam-menstillingen 22 forårsaker tenning av detoneringsstrengen 24, som deretter forårsaker detonering av de formede ladninger 26. Detoneringen av de formede ladninger 26 frembringer dannelse av perforeringsstråler fra de formede ladninger 26 til å lage åpninger inn i den omgivende foring 10 og danne perforeringstunneler inn i den omgivende formasjon 14. The detonator assembly 22 is coupled to a detonating string 24, which in turn is coupled to a number of shaped charges 26. Activation of the detonator assembly 22 causes ignition of the detonating string 24, which then causes the detonation of the shaped charges 26. The detonation of the shaped charges 26 cause the formation of perforating jets from the shaped charges 26 to create openings into the surrounding casing 10 and form perforating tunnels into the surrounding formation 14.

Fig. 1B viser en annen utførelse av perforeringsstrengen, som da omfatter et avfyringshode 30 og en perforeringsskyter 32. Denne perforeringsskyter 32 omfatter også flere formede ladninger 34. I stedet for at de formede ladninger 34 er koplet til en detoneringsstreng, er imidlertid hver formet ladning 34 samordnet med en tilhørende lokal detonatorsammenstilling 36. I en viss utførelse omfatter hver av detoneringssammenstillingene 36 EFI-detonatorsammenstillinger som er konfigurert på lignende måte som detonatorsammenstillingen 22 i fig. 1A. Detonatorsammenstillingen 36 er koplet til en elektrisk kabel 38, som frembringer et signal til detonatorsammenstillingene 36 om å aktivere disse detonatorsammenstillinger. Avfyringshodet 30 mottar en fjernkommando fra et annet sted i borebrønnen 16 eller fra overflaten av borebrønnen. Fig. 1B shows another embodiment of the perforating string, which then comprises a firing head 30 and a perforating launcher 32. This perforating launcher 32 also comprises several shaped charges 34. Instead of the shaped charges 34 being connected to a detonating string, however, each shaped charge is 34 coordinated with an associated local detonator assembly 36. In one embodiment, each of the detonator assemblies 36 comprises EFI detonator assemblies configured similarly to the detonator assembly 22 of FIG. 1A. The detonator assembly 36 is connected to an electrical cable 38, which produces a signal to the detonator assemblies 36 to activate these detonator assemblies. The firing head 30 receives a remote command from another location in the borehole 16 or from the surface of the borehole.

Et gunstig forhold som tilbys av perforeringsstrengen i fig. 1B er at de formede ladninger 34 kan detoneres hovedsakelig samtidig som respons på et aktiveringssignal eller spenning som tilføres nedover den elektriske kabel 38, eller også avfyres i en hvilken som helst ønsket rekkefølge eller med en hvilken som helst ønsket forsinkelse. Dette står i motsetning til arrangementet i fig. 1A hvor detoneringen av påfølgende formede ladninger 26 er forsinket i samsvar med hastigheten av en detoneringsbølge som vandrer nedover detoneringsstrengen 24. A favorable relationship offered by the perforation string in fig. 1B is that the shaped charges 34 may be detonated substantially simultaneously in response to an activation signal or voltage applied down the electrical cable 38, or may be fired in any desired order or with any desired delay. This is in contrast to the arrangement in fig. 1A where the detonation of successive shaped charges 26 is delayed in accordance with the velocity of a detonation wave traveling down the detonation string 24.

Skjønt arrangementet i fig. 1B omfatter flere detoneringssammenstillinger 36, sammenlignet med den eneste detoneringssammenstilling 22 i det viste arran-gement i fig. 1A, så vil den ringe størrelse av detoneringssammenstillingen 36 i henhold til visse utførelser gjøre det mulig å la detoneringssammenstillingene inngå i perforeringsskyteren 32 uten i vesentlig grad å øke størrelsen av perforeringsskyteren 32. Although the arrangement in fig. 1B comprises multiple detonation assemblies 36, compared to the single detonation assembly 22 in the arrangement shown in FIG. 1A, the small size of the detonation assembly 36 according to certain embodiments will allow the detonation assemblies to be included in the perforator launcher 32 without significantly increasing the size of the perforator launcher 32.

Som angitt ovenfor, er det i en viss utførelse slik at et elektrisk signal tilføres avfyringshodet 22 eller 30 for å aktivere perforeringsskyteren 20 eller 32.1 alternative utførelser kan imidlertid aktiveringssignalet foreligge i form av trykkpulssigna-ler, hydraulisk trykk, bevegelsessignaler som sendes nedover bærerledningen 12, og så videre. As indicated above, in a certain embodiment, an electrical signal is supplied to the firing head 22 or 30 to activate the perforating shooter 20 or 32. In alternative embodiments, however, the activation signal may be in the form of pressure pulse signals, hydraulic pressure, movement signals sent down the carrier line 12, and so on.

I stedet for perforeringsstrenger kan detonator-sammenstillingene i henhold til visse utførelser brukes på andre typer verktøystrenger. Eksempler på andre verktøystrenger som inneholder eksplosiver omfatter da følgende, nemlig rørkutt-ere, innstillingsinnretninger, osv. Detonatorsammenstillinger i henhold til visse ut-førelser kan også brukes ved andre anvendelser, slik som seismiske anvendelser, mineringsanvendelser, demolisjon eller militære armeringsanvendelser. I de seismiske anvendelser er detonatorsammenstillingene ballistisk sammenkoplet med eksplosiver som brukes for å generere lydbølger inn på jordens underjordiske be-liggenheter for å bestemme forskjellige egenskaper ved jordens indre flater. Instead of perforating strings, the detonator assemblies according to certain embodiments can be used on other types of tool strings. Examples of other tool strings containing explosives then include the following, namely pipe cutters, setting devices, etc. Detonator assemblies according to certain embodiments may also be used in other applications, such as seismic applications, mining applications, demolition or military armament applications. In the seismic applications, the detonator assemblies are ballistically coupled with explosives used to generate sound waves into the earth's underground locations to determine various properties of the earth's interior surfaces.

Som angitt ovenfor, forholder det seg slik at det i en viss type anvendelse, omfatter detonatorsammenstillingen 22 en EFI. EFI omfatteren ekspoderende folie-"flyveplate"-initiator eller en eksploderende "boble-aktiverf-initiator. Andre typer detonator-sammenstillinger kan bruke andre typer elektriske initiatorer, slik som en eksploderende brotråd (EBW) for initiatorer samt halvlederbro-initiatorer As stated above, in a certain type of application, the detonator assembly 22 includes an EFI. The EFI comprises an exploding foil "flying plate" initiator or an exploding "bubble-activated" initiator. Other types of detonator assemblies may use other types of electrical initiators, such as an exploding bridge wire (EBW) initiator as well as semiconductor bridge initiators

(SCB). (SCB).

Som vist i fig. 2, er det angitt et elektrisk skjematisk diagram for en viss ut-førelse av detonatorsammenstillingen 100. Detonatorsammenstillingen 100 kan enten være detonatorsammenstillingen 22 i fig. 1A, eller eventuelt detonatorsammenstillingen 36fig. 1B. Detonatorsammenstillingen 100 omfatteren ladningska-pasitetsenhet (CDU) 102, en EFI 104, samt et høyeksplosiv (HE) 106. As shown in fig. 2, an electrical schematic diagram is indicated for a certain embodiment of the detonator assembly 100. The detonator assembly 100 can either be the detonator assembly 22 in fig. 1A, or possibly the detonator assembly 36fig. 1B. The detonator assembly 100 comprises a charge capacity unit (CDU) 102, an EFI 104, and a high explosive (HE) 106.

CDU 102 inkluderer en kondensator 108, en ladningsmotstand 110 og en avtappingsresistor 112.1 tillegg omfatter CDU 102 en bryter 114 for å kople ladning som er lagret i kondensatoren 108 til EF1104 for derved å aktivere denne EFI 104. Når den aktiveres, frembringer EF1104 et flyvelegeme som drives ved vanlig overlydhastighet og vandrer gjennom et gap 116 for danne anslag mot høyeksplo-sivet 106. I visse utførelser kan flyvelegemet være fabrikkert fra en metallfolie eller polymer/folie-materiale. Flyvelegemets anslag mot høyeksplosivet 106 frembringer da detonering av dette eksplosivet 106. Dette eksplosivet 106 er ballistisk koplet til enten detoneringsstrengen 24 (fig. 1 A) eller til et eksplosiv for en formet ladning 34 (1B). I visse utførelser kan den indre motstand i kondensatoren være tilstrekkelig The CDU 102 includes a capacitor 108, a charge resistor 110 and a drain resistor 112. In addition, the CDU 102 includes a switch 114 to couple charge stored in the capacitor 108 to the EF1104 to thereby activate this EFI 104. When activated, the EF1104 produces a flying body that is driven at normal supersonic speed and travels through a gap 116 to form impacts against the high explosive 106. In certain embodiments, the airframe can be fabricated from a metal foil or polymer/foil material. The impact of the aircraft body against the high explosive 106 then produces detonation of this explosive 106. This explosive 106 is ballistically coupled to either the detonation string 24 (Fig. 1A) or to an explosive for a shaped charge 34 (1B). In certain designs, the internal resistance of the capacitor may be sufficient

og en separat ladningsmotstand vil da ikke være nødvendig. and a separate charging resistor will then not be necessary.

Kondensatoren 108 lades opp ved å påføre en passende høy DC-spenning på ledningen 118. Denne spenning tilføres gjennom ladningsmotstanden 110 og derpå inn i kondensatoren 108. Ladningsmotstanden 110 er opprettet for å begrense strøm (i tilfelle en kortslutning i kondensatoren 108 eller et sted i CDU 102). Ladningsmotstanden 110 går også ut på å opprette isolasjon av CDU 102 fra andre CDU-enheter i verktøystrengen. The capacitor 108 is charged by applying a suitably high DC voltage to the lead 118. This voltage is supplied through the charging resistor 110 and then into the capacitor 108. The charging resistor 110 is created to limit current (in the event of a short circuit in the capacitor 108 or somewhere in CDU 102). The charge resistor 110 also serves to isolate the CDU 102 from other CDU units in the tool string.

Avtappingsresistoren 112 gjør det mulig for ladningen i kondensatoren 108 å langsomt avtappes. Dette finner sted i det tilfelle detonatorsammenstillingen 100 ikke avfyres etter at verktøystrengen er blitt senket ned i borebrønnen. Avtappingsmotstanden 112 hindrer CDU 102 fra å bli en sikkerhetsrisiko når verktøy-strengen med uavfyrte detonatorsammenstillinger 100 er blitt gjenvunnet tilbake til brønnoverflaten. The drain resistor 112 enables the charge in the capacitor 108 to slowly drain. This takes place in the event that the detonator assembly 100 is not fired after the tool string has been lowered into the borehole. The drain resistor 112 prevents the CDU 102 from becoming a safety hazard when the tool string of unfired detonator assemblies 100 has been recovered back to the well surface.

I andre utførelser kan andre detonatorsammenstillinger med andre typer energikilder (en annen enn kondensatoren 108) anvendes. In other embodiments, other detonator assemblies with other types of energy sources (other than the capacitor 108) may be used.

Detonatorsammenstillingen 100 omfatter en integrert sammenstilling av CDU 102 og EFI 104 for å danne en mindre detonator-sammenstillingspakke så vel som forbedret effektivitet ved opprettelse av detonatorsammenstillingen 100. Effektive CDU-enheter behøver å ha faste utladningstider (slik som nanosekund-reaksjonsverdier gjennom en bane med lav induktans) gjennom EFI-enheten med lavt energitap (lav motstand). Én måte å øke effektiviteten på er å redusere, i så høy grad som mulig, induktansen (L) og motstanden (R) for den samlede krets i utladningssløyfen for CDU 102. Ved å integrere CDU 102 i en mindre pakke, kan induktans og motstand reduseres, og derved forbedre effektiviteten for CDU 102. The detonator assembly 100 includes an integrated assembly of CDU 102 and EFI 104 to form a smaller detonator assembly package as well as improved efficiency in creating the detonator assembly 100. Efficient CDUs need to have fixed discharge times (such as nanosecond response values through a path of low inductance) through the EFI unit with low energy loss (low resistance). One way to increase efficiency is to reduce, as much as possible, the inductance (L) and resistance (R) of the overall circuit in the discharge loop of the CDU 102. By integrating the CDU 102 into a smaller package, the inductance and resistance can is reduced, thereby improving the efficiency of the CDU 102.

I henhold til visse utførelser av oppfinnelsen blir ladningsmotstanden 110 og avtappingsmotstanden 112 opprettet som motstander utformet på en overflate av kondensatoren 108. I visse utførelser blir videre bryteren 114 også integrert inn i overflaten av kondensatoren 108, hvilket ytterligere reduserer den totale størrelse av CDU 102. According to certain embodiments of the invention, the charge resistor 110 and the drain resistor 112 are created as resistors formed on a surface of the capacitor 108. In certain embodiments, the switch 114 is also integrated into the surface of the capacitor 108, which further reduces the overall size of the CDU 102.

Fig. 3 viser CDU 102 i samsvar med en viss utførelse. Kondensatoren 108 i én utførelse omfatter en keramisk kondensator, som da har et ytre keramisk hylster 202 utformet i keramisk materiale. I andre utførelser kan imidlertid andre kon-densatortyper anvendes. Kondensatoren 108 omfatter en første gruppe av ett eller flere elektrisk ledende lag som er koplet til en viss elektrode, som da betegnes som en katode. En annen gruppe av én eller flere elektrisk ledende lag i kondensatoren 108 er forbundet med en annen elektrode i kondensatoren, som da betegnes som en anode. Ett eller flere lag av dielektrisk materiale er opprettet mellom katodens og anodens elektrisk ledende lag. Katodelagene, anodelagene og de dielektriske lag er opprettet inne i det ytre hylster 202 for kondensatoren 108. Som vist i fig. 3, har kondensatoren 108 en første elektrode 204 og en andre elektrode 206. Elektrodene 204 og 206 danner katoden og anoden i kondensatoren 108. Fig. 3 shows the CDU 102 in accordance with a certain embodiment. The capacitor 108 in one embodiment comprises a ceramic capacitor, which then has an outer ceramic sleeve 202 made of ceramic material. In other designs, however, other capacitor types can be used. The capacitor 108 comprises a first group of one or more electrically conductive layers which are connected to a certain electrode, which is then referred to as a cathode. Another group of one or more electrically conductive layers in the capacitor 108 is connected to another electrode in the capacitor, which is then referred to as an anode. One or more layers of dielectric material are created between the electrically conductive layers of the cathode and anode. The cathode layers, the anode layers and the dielectric layers are created inside the outer casing 202 for the capacitor 108. As shown in fig. 3, the capacitor 108 has a first electrode 204 and a second electrode 206. The electrodes 204 and 206 form the cathode and anode of the capacitor 108.

Kondensatorelektroden 206 befinner seg i elektrisk kontakt med en elektrisk leder 208. En annen elektrisk leder 210 er forbundet med et knutepunkt for lad-ningsresistoren (ikke vist i fig. 3), som da er utformet på den nedre flate 212 i kondensatoren 108. The capacitor electrode 206 is in electrical contact with an electrical conductor 208. Another electrical conductor 210 is connected to a node for the charge resistor (not shown in Fig. 3), which is then formed on the lower surface 212 of the capacitor 108.

Videre er EFI 104 festet på den øvre overflate 222 av kondensatoren 108. Den ene side av EF1104 er koplet over en elektrisk ledende plate 215 til elektroden 206 i kondensatoren 108. Den andre siden av EF1104 er elektrisk koplet til en elektrisk ledende flate 214, som da i sin tur er forbundet med ende side av bryteren 114. Den andre siden av bryteren 114 er elektrisk forbundet over en annen elektrisk ledende plate 216 med kondensatorelektroden 204. Elektriske forbindel-ser opprettes ved hjelp av tykkfilm-påføringer, eller lignende metoder. Et hvilket som helst antall av små brytere kan anvendes, slik som av den art som er omtalt i US-patent nr. 6,385,031 og US-patentsøknad med serienr. 09/946,249, inngitt 5. september 2001, hvor begge disse dokumenter tas inn her som referanse. Også EFI kan omfatte en innebygd bryter som en del av sin konstruktive utførelse. Furthermore, the EFI 104 is attached to the upper surface 222 of the capacitor 108. One side of the EF1104 is connected via an electrically conductive plate 215 to the electrode 206 in the capacitor 108. The other side of the EF1104 is electrically connected to an electrically conductive surface 214, which then in turn is connected to the end side of the switch 114. The other side of the switch 114 is electrically connected over another electrically conductive plate 216 with the capacitor electrode 204. Electrical connections are created using thick film applications, or similar methods. Any number of small switches may be used, such as those disclosed in US Patent No. 6,385,031 and US Patent Application Serial No. 09/946,249, filed September 5, 2001, both of which are incorporated herein by reference. EFI can also include a built-in switch as part of its design.

CDU 102, sett nedenfra er vist i fig. 4. Avtappingsmotstanden 112 og ladningsmotstanden 110 er begge anordnet som tykkfilm-påføringer eller tynnfilms- motstander på undersiden 212 av kondensatoren 108. Den ene ende 302 av avtappingsmotstanden 112 er elektrisk forbundet med elektroden 204, mens den andre ende 304 av motstanden 112 er elektrisk koplet til elektroden 206. Den ene ende 306 av ladningsmotstanden 110 er elektrisk forbundet med elektroden 204, mens den andre ende 308 av motstanden 110 er elektrisk koplet til en kontaktknast 310. Denne kontaktknast 310 muliggjør elektrisk forbindelse for ladning av motstanden 110 over den elektriske leder 210. CDU 102, seen from below is shown in fig. 4. The drain resistor 112 and the charge resistor 110 are both arranged as thick film applications or thin film resistors on the underside 212 of the capacitor 108. One end 302 of the drain resistor 112 is electrically connected to the electrode 204, while the other end 304 of the resistor 112 is electrically coupled to the electrode 206. One end 306 of the charging resistor 110 is electrically connected to the electrode 204, while the other end 308 of the resistor 110 is electrically connected to a contact lug 310. This contact lug 310 enables electrical connection for charging the resistance 110 over the electrical conductor 210 .

Materiale og geometri (tykkelse, lengde, bredde) for hver motstand 110 og 112 er valgt for å oppnå en slik målsatt sjiktmotstand at ønskede motstandsverdier for motstandene 110 og 112 kan oppnås. Ved andre utførelser er det slik at i stedet for tykkfilms- eller tynnfilms-motstander, kan andre motstandstyper, som kan påføres, dannes eller på annen måte utformes på kondensatorhylsteret, brukes. Material and geometry (thickness, length, width) for each resistor 110 and 112 have been chosen to achieve such a targeted layer resistance that desired resistance values for the resistors 110 and 112 can be achieved. In other embodiments, instead of thick-film or thin-film resistors, other types of resistors, which can be applied, formed or otherwise designed on the capacitor case, can be used.

For å danne motstander på en overflate (eller flere overflater) av kondensatorhylsteret, kan en fordypning eller forsenkning være utformet på yttersidene av kondensatorhuset, etterfulgt av påføring eller innføring av motstandsmateriale i vedkommende fordypning eller forsenkning. Alternativt kan et motstandsmateriale være silke-trykt eller på annen måte trykt på overflatene, eller andre teknikker kan også brukes. In order to form resistors on one surface (or several surfaces) of the capacitor case, a recess or recess may be formed on the outer sides of the capacitor housing, followed by the application or introduction of resistive material into that recess or recess. Alternatively, a resist material may be screen-printed or otherwise printed on the surfaces, or other techniques may also be used.

Fig. 5 viser en skjematisk fremstilling av lagene i kondensatoren 108. Elektrisk ledende lag 312 er tilsluttet den første elektrode 204, mens elektrisk ledende lag 314 er forbundet med elektroden 206. I visse utførelser er de elektrisk ledende lag 312 og 314 utformet i et metall, slik som kobber, sølv/palladium-legering eller annet elektrisk ledende metall. Dielektriske lag er anordnet mellom de påfølgende lag 312 og 314. Fig. 5 shows a schematic representation of the layers in the capacitor 108. Electrically conductive layer 312 is connected to the first electrode 204, while electrically conductive layer 314 is connected to the electrode 206. In certain embodiments, the electrically conductive layers 312 and 314 are formed in a metal , such as copper, silver/palladium alloy or other electrically conductive metal. Dielectric layers are arranged between the successive layers 312 and 314.

I henhold til en viss utførelse, er bryteren 114 (fig. 2) iverksatt som en over-spenningsbryter. Som vist i fig. 6, omfatter en viss utførelse av overspenningsbry-teren 114 et første elektrisk ledende lag 402 og et andre elektrisk ledende lag 406. Innlagt mellom de elektrisk ledende lag 402 og 406 befinner det seg da et isolerende (dielektrisk) lag 404. I ett utførelseseksempel er de elektrisk ledende lag 402 og 406 utformet av kobber eller annet elektrisk ledende metall. I ett utførelseseks-empel er det isolerende lag 404 utformet som et polyimid-materiale. According to one embodiment, switch 114 (Fig. 2) is actuated as an overvoltage switch. As shown in fig. 6, a certain embodiment of the surge breaker 114 comprises a first electrically conductive layer 402 and a second electrically conductive layer 406. Inserted between the electrically conductive layers 402 and 406 is an insulating (dielectric) layer 404. In one embodiment, the electrically conductive layers 402 and 406 formed of copper or other electrically conductive metal. In one exemplary embodiment, the insulating layer 404 is designed as a polyimide material.

Det isolerende lag 404 har en tykkelse og en dopings-konsentrasjon figurert til å henge bryteren 114 til å aktivere en valgt spenningsforskjell mellom de elektrisk ledende lag 402 og 406. Så snart spenningen overskrider et visst forut defi nert terskelnivå, vil det isolerende lag 404 brytes ned til elektrisk å sammenkople første og andre elektrisk ledende lag 402 og 406 (slik at derved bryteren 114 lukkes). The insulating layer 404 has a thickness and a doping concentration configured to allow the switch 114 to activate a selected voltage difference between the electrically conductive layers 402 and 406. As soon as the voltage exceeds a certain pre-defined threshold level, the insulating layer 404 will break down to electrically interconnect the first and second electrically conductive layers 402 and 406 (thereby closing the switch 114).

Eventuelt kan nedbrytningsspenningen for det isolerende lag 404 reguleres ved å føre geometrien av de overlappende elektrisk ledende lag 402 og 406 noe avspisset for derved å øke den potensielle gradient på disse punkter. Påføring av et hardt metall, slik som wolfram, på kontaktområder av det første og andre elektrisk ledende lag 402 og 406 kan videre hindre tilbakebrenning av de elektrisk ledende lag. Kontaktområdene blir opprettet for å elektrisk koble de elektrisk ledende lag 402 og 406 til tilordnede ledninger. Det herdede metall sørger også for en mer effektiv bryter. For øket effektivitet gjøres også gapavstanden mellom punktene liten, slik som av størrelsesorden noen få tusendeler av en tomme. Optionally, the breakdown voltage for the insulating layer 404 can be regulated by leading the geometry of the overlapping electrically conductive layers 402 and 406 to be somewhat tapered in order to thereby increase the potential gradient at these points. Application of a hard metal, such as tungsten, to contact areas of the first and second electrically conductive layers 402 and 406 can further prevent burnback of the electrically conductive layers. The contact areas are created to electrically connect the electrically conductive layers 402 and 406 to associated wires. The hardened metal also provides a more efficient switch. For increased efficiency, the gap distance between the points is also made small, such as on the order of a few thousandths of an inch.

Fig. 7 viser en annen type bryter 114. Denne alternative bryter er en utløs-bar bryter med tillegg av et annet elektrisk ledende lag som er koplet til en utlø-serspenning. Som vist i fig. 7, omfatter den utløsbare bryter 114 øvre og nedre elektrisk ledende lag 410 og 414, i tillegg til et mellomliggende elektrisk ledende lag 412. Isolerenden lag 416 og 418 er anordnet mellom påfølgende elektrisk ledende lag. I drift blir en høy spenning (i forhold til jord) og med en rask stigetid på-ført utløseranoden 412. Den utløserspenning har tilstrekkelig amplitude til å bringe de isolerende lag 416 og 418 til å brytes ned og derved muliggjøre en elektrisk ledning mellom øverste og nederste elektrisk ledende lag 410 og 414. Fig. 7 shows another type of switch 114. This alternative switch is a triggerable switch with the addition of another electrically conductive layer which is connected to a trigger voltage. As shown in fig. 7, the releasable switch 114 comprises upper and lower electrically conductive layers 410 and 414, in addition to an intermediate electrically conductive layer 412. The insulating layers 416 and 418 are arranged between successive electrically conductive layers. In operation, a high voltage (relative to ground) and with a fast rise time is applied to the trigger anode 412. The trigger voltage has sufficient amplitude to cause the insulating layers 416 and 418 to break down, thereby enabling an electrical connection between the top and bottom electrically conductive layers 410 and 414.

I andre utførelser av detonatoren i henhold til foreliggende oppfinnelse kan mikrobrytere integreres til å danne en liten, lavkostnads detonator ved utnyttelse av eksploderende folie-initiatorteknologi. I en viss utførelse er en mikro-omkoplbar EFI-donator tilstrekkelig liten til å passe inn inne i et standard detonator-hus og forenkler derved logistikk og pakning, letter sammenstilling og forbedrer total på-litelighet ved erstatning av den mindre sikre varmtråd-detonator. En "mikro-bryter" kan brukes slik som omtalt i US-patentsøknad med serienr. 10/708,182, inngitt 13. februar 2004, som herved tas inn som referanse. En slik mikrobryter kan da omfatte, men er ikke begrenset til, en mikroelektromekanisk systembryter (MEMS), blir en bryter fremstilt ved hjelp av mikroelektroniske teknikere av lignende art som de som brukes til å fabrikkere integrerte kretsinnretninger, en bistabil mikroelektromekanisk bryter, en gnistgapbryter, en bryter med nanorørs elektronemittere (f.eks. karbon-nanorør), en metalloksid/silikon felteffekt-transistor (MOSFET), en isolert felteffekttransistor med isolert port (IGFET), samt andre mikrokoplingsinnretninger. In other embodiments of the detonator of the present invention, microswitches may be integrated to form a small, low-cost detonator utilizing exploding foil initiator technology. In one embodiment, a micro-switchable EFI donor is small enough to fit inside a standard detonator housing, thereby simplifying logistics and packaging, facilitating assembly, and improving overall reliability when replacing the less secure hot-wire detonator. A "micro-switch" can be used as described in US patent application serial no. 10/708,182, filed February 13, 2004, which is hereby incorporated by reference. Such a microswitch may then include, but is not limited to, a microelectromechanical system (MEMS) switch, a switch fabricated using microelectronic techniques similar to those used to fabricate integrated circuit devices, a bistable microelectromechanical switch, a spark gap switch, a switch with nanotube electron emitters (e.g. carbon nanotubes), a metal oxide/silicon field effect transistor (MOSFET), an insulated gate field effect transistor (IGFET), and other microswitching devices.

Med hensyn til figurene 8A og 8B kan generelt en utførelse av foreliggende oppfinnelse omfatte en liten monolittisk detonator 800 med alle komponenter integrert til å danne en enkelt enhet. Disse komponenter kan inkludere, men er ikke begrenset til en integrert kondensatorutladningsenhet 808 som omfatter en lad-ningsresistor og avtappingsresistor som er smeltet eller bundet sammen med en mikrobryter og en initiator (f.eks. en initiator av EFI, EBW, SCB, varmetråd eller annen initiator), et initierende eksplosiv 806, et vanlig eksplosiv 804, f.eks. et eksplosiv av type PETN, RDX, HMX, CL-20, HNS, NONA og/eller andre eksplosiver), en opptrinnstransformator 810 for å motta en lavspennings inngang som transfor-meres opp til en høy spenning på utgangssiden, samt en adresserbar brikke 812. I en annen utførelse kan en mikrobrikke anvendes for å lette utførelsen. Den resul-terende størrelse av den integrerte detonator 800 er tilstrekkelig liten til å kunne pakkes inne i et standard detonatorhus 802, og kan da motta effekt via en stan-dardplugg 814. Referring to Figures 8A and 8B, in general, an embodiment of the present invention may comprise a small monolithic detonator 800 with all components integrated to form a single unit. These components may include, but are not limited to, an integrated capacitor discharge unit 808 comprising a charge resistor and drain resistor fused or bonded together with a microswitch and an initiator (eg, an initiator of EFI, EBW, SCB, hot wire or other initiator), an initiating explosive 806, a regular explosive 804, e.g. an explosive of type PETN, RDX, HMX, CL-20, HNS, NONA and/or other explosives), a step-up transformer 810 to receive a low voltage input which is transformed up to a high voltage on the output side, as well as an addressable chip 812 In another embodiment, a microchip can be used to facilitate the execution. The resulting size of the integrated detonator 800 is sufficiently small to be packed inside a standard detonator housing 802, and can then receive power via a standard plug 814.

En utførelse av detonatoren 800 har en størrelse og form som hovedsakelig er lik den som gjelder for en standard sylinderformet varmetråds-detonator. Noen standard varmetråds-detonatorer har f.eks. en tverrsnittsdiameter på omtrent 0,28 tommer (0,71 cm). I henhold til et annet eksempel kan en utførelse av detonatoren 800 ha samme diameter som den detoneringsstreng 24 (fig. 1 A) som detonatoren er koplet til. Denne forholdsvis lite omfangsrike detonator kan være øns-kelig fremfor større tidligere kjente detonatorer, som vanligvis består av en om-fangsrik kondensatorutladningsenhet (CDU) (innbefattet en EFI, gassrørs-bryter, avtappings-motstand og kondensator) sammen med en multiplikator, smart-elektronikk, og eksplosivt innpakket i et forholdsvis stort hylster med et diameter-tverrsnitt på 0,75 tommer (1,91 cm). Den forholdsvis store størrelse av disse tidligere kjente detonatorer begrenser deres anvendelse og feltbruk, og øker også deres fremstillingsomkostninger. Skjønt denne utførelse av detonatoren i henhold til foreliggende oppfinnelse har en tverrsnittsdiameter på omtrent 0,28 tommer (0,71 cm), eller tilsiktet at andre utførelser kan omfatte integrerte detonatorer med andre tverrsnittsdiametre. One embodiment of the detonator 800 has a size and shape substantially similar to that of a standard cylindrical hot wire detonator. Some standard hot wire detonators have e.g. a cross-sectional diameter of approximately 0.28 inches (0.71 cm). According to another example, an embodiment of the detonator 800 may have the same diameter as the detonating string 24 (Fig. 1A) to which the detonator is connected. This relatively compact detonator may be desirable over larger prior art detonators, which typically consist of a bulky capacitor discharge unit (CDU) (including an EFI, throttle switch, drain resistor and capacitor) together with a multiplier, smart- electronics, and explosively packed in a relatively large case with a diameter cross-section of 0.75 inches (1.91 cm). The relatively large size of these previously known detonators limits their application and field use, and also increases their manufacturing costs. Although this embodiment of the detonator of the present invention has a cross-sectional diameter of approximately 0.28 inches (0.71 cm), it is intended that other embodiments may include integral detonators with other cross-sectional diameters.

Ved siden av å ha mindre total størrelse, kan utførelser av detonatoren 800 i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatte forskjellige fordeler fremfor tidligere kjente detonatorer for derved å lette sikker spenningssetning og avfyring. Visse ut-førelser har en tilleggsfordel i form av avfyring ved lavere spenning. En detonator kan f.eks. være konfigurert til å reagere på en avfyringsspenning som er så lav som omtrent 30 volt. Noen utførelser av detonatoren 800 omfatter for øvrig en rad-iofrekvens-identifiseringsetikett (RFID) for å sikre sikker spenningssetting og utløs-ningsfunksjoner, så vel som sørge for identifisering og inventarkontroll. Utførelser av oppfinnelsen kan i tillegg merkes for drift i temperaturer opp til omtrent 340 °F (171 °C). Høyere temperaturer (opp til omtrent 500 °F (260 °C)) kan oppnås ved inkludering av en termisk forsinkelsesbeholder. Da ytterligere utførelser av detonatoren kan være fluid-desentifisert, radiofrekvenssikker og/eller beskyttet mot util-siktet overflateeffekt. In addition to having a smaller overall size, embodiments of the detonator 800 according to the present invention may include various advantages over previously known detonators in order to thereby facilitate safe tensioning and firing. Certain versions have an additional advantage in the form of firing at a lower voltage. A detonator can e.g. be configured to respond to a firing voltage as low as about 30 volts. Some embodiments of the detonator 800 also include a radio-frequency identification (RFID) tag to ensure secure energization and release functions, as well as provide identification and inventory control. Embodiments of the invention may additionally be rated for operation at temperatures up to about 340°F (171°C). Higher temperatures (up to about 500 °F (260 °C)) can be achieved by including a thermal delay vessel. As further designs of the detonator can be fluid disinfected, radio frequency safe and/or protected against unintended surface effect.

I forbindelse med figurene 8A og 8B, er det vist at en utførelse av detonatorsammenstillingen 800 kan omfatte en kondensator 808 (sylinderformet eller rek-tangulær) som er fremstilt fra et dielektrisk/polarisert materiale med en innebygd avtappingsresistor (f.eks. i form av tykk film) på den ene ende og med en EFI og mikrobryter montert på den andre ende. Denne EFI kan være sammensmeltet med eller bundet til kondensatoren 808, og en mikrobryter for aktivering av EFI kan være plassert på samme substrat som EFI-enheten eller, alternativt, et separat substrat. Mikrobryteren kan være av en overspenningstype i et miniatyrisert kammer, og, i visse utførelser kan mikrobryteren være forbedret ved hjelp av karbon-nanorør slik som beskrevet i US-søknad med serienr. 10/708,182. Referring to Figures 8A and 8B, it is shown that one embodiment of the detonator assembly 800 may include a capacitor 808 (cylindrical or rectangular) which is fabricated from a dielectric/polarized material with a built-in drain resistor (e.g. in the form of thick film) on one end and with an EFI and microswitch mounted on the other end. This EFI may be fused to or bonded to the capacitor 808, and a microswitch for activating the EFI may be located on the same substrate as the EFI device or, alternatively, a separate substrate. The microswitch may be of a surge type in a miniaturized chamber and, in certain embodiments, the microswitch may be enhanced by carbon nanotubes as described in US application Ser. 10/708,182.

Fremdeles under henvisning til fig. 8A og 8B, er vist at en utførelse av detonatorsammenstillingen 800 også kan omfatte en opptrinnstransformator810, slik som vist i koplingsskjemaet i fig. 10. Transformatoren kan være fremstilt slik at den er sammensveiset til kondensatoren 800. Transformatoren kan være i stand til å motta en lavspennings-inngang (f.eks. 5 til 30 volt) og opptransformering av denne til en høyspenningsutgang (f.eks. på 1400 volt) via en separat høyspenningsdiode. I visse utførelser kan transformatoren være fremstilt fra et metallisk, keramisk eller keramisk/ferritt-materiale med høye magnetiske permeabilitets-egenskaper under bruk av en vanlig trådviklingsprosess eller lavtemperaturs keramikksammensmelt-ingsprosess (LTCC) ved bruk av silke-skjermede lederspoler. Still referring to fig. 8A and 8B, it is shown that an embodiment of the detonator assembly 800 may also include a step-up transformer 810, as shown in the wiring diagram in fig. 10. The transformer may be fabricated to be welded to the capacitor 800. The transformer may be capable of receiving a low voltage input (e.g. 5 to 30 volts) and up-transforming this to a high voltage output (e.g. at 1400 volts) via a separate high voltage diode. In certain embodiments, the transformer may be fabricated from a metallic, ceramic or ceramic/ferrite material with high magnetic permeability properties using a conventional wire winding process or low temperature ceramic fused (LTCC) process using silk screened conductor coils.

Videre i forbindelse med fig. 8A, 8B og 10, fremgår det at en utførelse av detonatorsammenstillingen 800 også kan inkludere en adresserbar brikke 812. Denne adresserbare brikke 812 kan da lette reguleringsselektivitet og gi ytterligere sikkerhet mot tilfeldig avfyring. Inkluderingen av en adresserbar brikke 812 er gjort mulig på grunn av den lavspente inngang til transformatoren 810, hvilket da vil lette pakning av adresserbarhet inn i brikken 812. Denne adresserbare brikke 812 kan være utført for standard CMOS-integrering med 5-volts eller 3,3-volts drift ved bruk av logisk tilstandsmaskin. Videre, kan visse utførelser av brikken være konfigurert til å ha en innebygget digital signalbehandling for å oppnå forbedret ned-links signalgjenkjennelse og en opp-link som bruker en dobbeltfaset strømsløyfe. Furthermore, in connection with fig. 8A, 8B and 10, it appears that an embodiment of the detonator assembly 800 may also include an addressable chip 812. This addressable chip 812 may then facilitate control selectivity and provide additional security against accidental firing. The inclusion of an addressable chip 812 is made possible by the low-voltage input to the transformer 810, which will then facilitate the packing of addressability into the chip 812. This addressable chip 812 may be designed for standard CMOS integration with 5-volt or 3, 3-volt operation using logic state machine. Furthermore, certain embodiments of the chip can be configured to have a built-in digital signal processor to achieve improved down-link signal recognition and an up-link using a dual-phase current loop.

I drift vil en viss utførelse av brikken 812 lette integreringen av elektroniske adresserbare funksjoner, slik som: (1) entydig identifisering og valg av én eller flere initiatorer fra et sett av slike initiatorer, (2) muligheter for selektiv oppladning og avfyring av disse én eller flere initiatorer og muligheter for å programmere en spesifikk tidsforsinkelse, (3) muligheter for søvnmodus, eller en inaktiv tilstand, tidsbestemt forsinkelsesmodus, armerings- og avfyringsmodi og koplingsmodi for å åpne og/eller lukke nyvalgt krets, (4) aktivering av sensormodus for å overvåke signal fra sensorer (f.eks. trykk, temperatur, skråvinkel, strøm, spenning, etc), og/eller (5) aktivere frakoplingsmodus for å frakople bunnavfyrte initiatorer fra res-ten av strengen ved å avføle en tilstrekkelig strømstigning med påfølgende progre-sjon. En anskueliggjørelse av den ovenfor angitte funksjonalitet er vist i fig. 9 og 10. Det er tilsiktet at den adresserbare brikke skal være konfigurert til å utføre én av eller samtlige av disse funksjoner og eventuelt andre. In operation, a certain embodiment of the chip 812 will facilitate the integration of electronic addressable functions, such as: (1) unambiguous identification and selection of one or more initiators from a set of such initiators, (2) possibilities for selective charging and firing of these one or multiple initiators and capabilities to program a specific time delay, (3) capabilities for sleep mode, or an inactive state, timed delay mode, arming and firing modes, and switching modes to open and/or close newly selected circuit, (4) sensor mode activation for to monitor signal from sensors (eg pressure, temperature, tilt angle, current, voltage, etc), and/or (5) activate disconnect mode to disconnect bottom-fired initiators from the rest of the string by sensing a sufficient current rise with subsequent progression. An illustration of the above-mentioned functionality is shown in fig. 9 and 10. It is intended that the addressable chip should be configured to perform one or all of these functions and possibly others.

For eksempel, en utførelse av detonatorer med en adresserbar brikke kan gi en fremgangmåte for å utløse detonatorer basert på en indre tidsangiver eller en ytre utløsningsmekanisme. Videre kan den adresserbare brikke omfatte felles kommandoer for å starte flere tidsstyringer i en detoneringsstreng. Hver tidsstyring kan være forinnstilt til å frembringe nøyaktige tidsforsinkelser innenfor strengen. Denne presise styring av tidsforsinkelser av strengen muliggjør produksjon av gunstige dynamiske trykktids-karakteristikker. For eksempel i US-patent nr. 6,598,682, som angår underbalanse- og overbalanse-regulering av dynamisk trykk, omhandler et system for å optimalisere tidsfunksjonen for perforeringspro-sessen så vel som å begrense kollateral skade av skyteutstyret og annet bore-brønnsutstyr ved å begrense toppen av overtrykk og ødeleggende trykkbølge-resonanser som trykkbølgeforsterkninger. For example, an embodiment of detonators with an addressable chip may provide a method for triggering detonators based on an internal timer or an external trigger mechanism. Furthermore, the addressable chip may include common commands to start multiple timers in a detonation string. Each timer can be preset to produce precise time delays within the string. This precise control of string time delays enables the production of favorable dynamic pressure-time characteristics. For example, in US Patent No. 6,598,682, which relates to underbalance and overbalance control of dynamic pressure, there is a system for optimizing the timing function of the perforating process as well as limiting collateral damage to the shooting equipment and other downhole equipment by limiting the peak of overpressure and destructive pressure wave resonances as pressure wave amplifications.

I forbindelse med fig. 11, beskrives en fremgangsmåte for å generere en ut-løserpuls ved opptransformering av den lavere kondensatorspenning under bruk av en andre transformator av en type som omfatter, men ikke er begrenset til, lavtemperaturs sammensveisingskeramikk, LTCC, tapevikling, luftkjerne, og/eller su-pernedkjølt amorf kjerne. Denne utløserpuls muliggjør regulert og nøyaktig tidsstyring av detonatorens avfyring og mer effektiv oppladning av den enklere kondensator på grunn av at den kan opplades fullstendig før den blir utløst til avfyring av detonatoren. Skjønt gnistgapet avfyres hver gang dens terskelspenning overskri-des, kan utløserkretsen og utløserelektroden sørge for alternativer som gir styrt avfyring av gnistgapet, f.eks. på kommando fra overflaten, etter fullførelse av en forut programmert tidsforsinkelse, eller, i det tilfelle en trykksensormåling også ut-føres, etter oppnåelse av en forut innstilt trykkterskel eller trykkprofil med tiden. In connection with fig. 11, a method is described for generating a trip pulse by step-up transforming the lower capacitor voltage using a second transformer of a type that includes, but is not limited to, low temperature bonding ceramic, LTCC, tape winding, air core, and/or su- supercooled amorphous core. This trigger pulse allows for regulated and accurate timing of detonator firing and more efficient charging of the simpler capacitor because it can be fully charged before it is triggered to fire the detonator. Although the spark gap is fired whenever its threshold voltage is exceeded, the trigger circuit and the trigger electrode can provide alternatives that provide controlled firing of the spark gap, e.g. on command from the surface, after completion of a pre-programmed time delay, or, in the event that a pressure sensor measurement is also performed, after achieving a pre-set pressure threshold or pressure profile with time.

Det beskrives videre en fremgangsmåte for å generere en utløserpuls ved å tilføre spenning som genereres ved bruk av en piezoelektrisk mekanisk transfor-masjon, slik som vist skjematisk i fig. 12. Sammenlignet med vanlige transformato-rer, er dette en alternativ utløsningsmetode som gir de fordeler som er beskrevet ovenfor i forbindelse med mer nøyaktig og effektiv detonatoravfyring. Denne piezoelektriske fremgangsmåte tilbyr også fordeler ved lavere komponentantall, mindre pakkestørrelse og drift ved lavere spenning ut i fra den integrerte krets. A method is further described for generating a trigger pulse by applying voltage which is generated using a piezoelectric mechanical transformation, as shown schematically in fig. 12. Compared to conventional transformers, this is an alternative firing method that provides the advantages described above in connection with more accurate and efficient detonator firing. This piezoelectric method also offers advantages in terms of a lower number of components, smaller package size and operation at a lower voltage from the integrated circuit.

Den mindre størrelse av foreliggende oppfinnelsesgjenstand muliggjør ny The smaller size of the present invention enables new

og fordelaktig evne til å initiere og avfyre en strålekutter fra dens geometriske senter. Som anskueliggjort i fig. 13A og 13B, omfatter strålekutteren et eksplosivmate-riale utformet intimt mot en metallisk foring. Foringsinnlegget er konfigurert hovedsakelig om en sentral akse hovedsakelig i form av en konisk avkortet kjegle mellom en rett avskåret topp og et rett avskåret basisstykke. EFI (eller annen initiator) med sin tilordnede CDU er posisjonsinnstilt slik at dens eksplosive pellet befinner seg i midten av avskjæreren. EFI/CDU-enheten er tilsluttet ved hjelp av et par enkle tråder gjennom det eksplosive senter. Alternativt, og slik som vist i fig. 13B, kan EFI være festet ved hjelp av en høyspenningskabel med lav induktans til et ytre CDU, og som da initieres ved hjelp av et elektrisk signal. Ethvert tilfelle vil i gunstige trekk ved foreliggende oppfinnelse, omfatte oppnåelse av en sentrert stråle-avkuttingsinitiering, som da er rettet på optimal avkuttingsadferd, ingen ytre elektronikk eller detoneringsstreng, bare enkle ledningstråder fra midten av avskjæreren, samt den forbedrede sikkerhet ved denne RF-sikkerhet og adresserbare detonator. and advantageous ability to initiate and fire a beam cutter from its geometric center. As can be seen in fig. 13A and 13B, the beam cutter comprises an explosive material formed intimately against a metallic liner. The liner insert is configured mainly about a central axis mainly in the form of a conical truncated cone between a straight truncated top and a straight truncated base piece. The EFI (or other initiator) with its associated CDU is positioned so that its explosive pellet is in the center of the interceptor. The EFI/CDU unit is connected by a couple of single wires through the explosive center. Alternatively, and as shown in fig. 13B, the EFI may be attached by means of a high voltage, low inductance cable to an external CDU, which is then initiated by an electrical signal. In any case, advantageous features of the present invention will include the achievement of a centered beam cutting initiation, which is then aimed at optimal cutting behavior, no external electronics or detonation string, only single wires from the center of the interceptor, as well as the improved safety of this RF safety and addressable detonator.

I forbindelse med fig. 14A-C, kan det videre angis at i stedet for å være innleiret i en strålekutter, kan utførelser av EF l/C DU-en heten hovedsakelig være innleiret i og forbundet direkte med en formet ladning med et eksplosivt materiale som har avskåret bunnstykke og er utformet intimt mot et innleggsstykke. Som med strålekutteren, kan EFI/CDU være festet ved hjelp av et par enkle ledningstråder (fig. 14B), eller, alternativt, kan EFI være festet ved hjelp av en høyspen-ningskabel med lav induktans til en ytre CDU-enhet, som da tennes ved hjelp av et elektrisk signal (fig. 14C). Et hvilket som helst av disse arrangementer kan brukes ved detonering av en rekke formede ladninger i en prosess skudd-for-skudd for å oppnå selektiv avfyring (fig. 14A). In connection with fig. 14A-C, it may further be noted that instead of being embedded in a beam cutter, embodiments of the EF l/C DU may be essentially embedded in and connected directly to a shaped charge with an explosive material having a cut-off base and is designed intimately against an insert piece. As with the beam cutter, the EFI/CDU may be attached by means of a pair of single lead wires (Fig. 14B), or, alternatively, the EFI may be attached by means of a high voltage, low inductance cable to an external CDU unit, which then is ignited by means of an electrical signal (fig. 14C). Any of these arrangements can be used in detonating a series of shaped charges in a shot-by-shot process to achieve selective firing (Fig. 14A).

Skjønt oppfinnelsen er blitt omtalt i forbindelse med et begrenset antall utfø-relser, vil fagkyndige på området kunne erkjenne tallrike modifiseringer og utførel-sesvarianter ut i fra disse. Det er tilsiktet at de etterfølgende patentkrav skal dekke slike modifiseringer og variasjoner som faller innenfor oppfinnelsens sanne om-fangsramme og idéinnhold. Although the invention has been discussed in connection with a limited number of embodiments, experts in the field will be able to recognize numerous modifications and variants of execution based on these. It is intended that the subsequent patent claims shall cover such modifications and variations as fall within the true scope and idea content of the invention.

Claims (3)

1. Detonatorsammenstilling, karakterisert vedat den omfatter: en kondensatorutladningsenhet, hvor denne kondensatorutladningsenhet omfatter en ladningsmotstand, en avtappingsmotstand og en kondensator som er mekanisk og elektrisk sammenkoplet, en utløser som er mekanisk og elektrisk forbundet med kondensatorutladningsenheten hvor utløseren er valgt fra en gruppe bestående av en eksploderende folieinitiator, en eksploderende broledning, en halvlederbro og en varmtråd, en mikrobryter som er mekanisk og elektrisk forbundet med kondensatorutladningsenheten og utløseren, et initierende eksplosiv inntil utløseren, og et hylster innrettet for å holde kondensatorutladningsenheten, utløseren, det initierende eksplosiv og mikrobryteren sammen til å danne en integrert detoneringsenhet.1. Detonator assembly, characterized in that it comprises: a capacitor discharge unit, where this capacitor discharge unit comprises a charging resistor, a drain resistor and a capacitor that is mechanically and electrically interconnected, a trigger that is mechanically and electrically connected to the capacitor discharge unit, where the trigger is selected from a group consisting of an exploding foil initiator, an exploding bridge lead, a semiconductor bridge and a hot wire, a microswitch mechanically and electrically connected to the capacitor discharge device and the trigger, an initiating explosive adjacent to the trigger, and a casing adapted to hold the capacitor discharge device, the trigger, the initiating explosive and the microswitch together to form a integrated detonation device. 2. Detoneringssammenstilling som angitt i krav 1, karakterisert vedat den omfatter: en adresserbar brikke, et beskyttelsesfilter som er elektrisk koplet til den adresserbare brikke, og en første transformator mekanisk samt mekanisk og elektrisk koplet til den adresserbare brikke og kondensatorutladningsenheten, hvor den adresserbare brikke, beskyttelsesfilteret og den første transformator er plassert inne i hylsteret.2. Detonation assembly as specified in claim 1, characterized in that it comprises: an addressable chip, a protection filter which is electrically coupled to the addressable chip, and a first transformer mechanically as well as mechanically and electrically coupled to the addressable chip and the capacitor discharge unit, where the addressable chip, the protection filter and the first transformer are placed inside in the holster. 3. Detonatorsammenstilling som angitt i krav 2, karakterisert vedat den videre omfatter en andre transformator som er elektrisk forbundet med mikrobryteren, hvor denne andre transformator er innrettet for å generere en utløserpuls for avfyring av utløseren.3. Detonator assembly as specified in claim 2, characterized in that it further comprises a second transformer which is electrically connected to the microswitch, where this second transformer is arranged to generate a trigger pulse for firing the trigger.