NO338159B1 - Integrerte detonatorer til bruk med eksplosive anordninger - 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.

Description

TEKNISK OMRÅDE

Foreliggende oppfinnelse gjelder generelt aktiveringsinnretninger, og nær-mer bestemt en integrert detonator for bruk ved aktivering av eksplosiver.

BAKGRUNN

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.

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).

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.

SAMMENFATNING

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,

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.

Ytterligere utførelsesformer av detonatorsammenstillingen i henhold til oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav.

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.

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).

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.

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.

Andre særtrekk og utførelser vil fremgå klart ut i fra den følgende beskrivelse, samt fra tegningene og de angitte patentkrav.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

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.

Fig. 3 viser en perspektivskisse av detonatorsammenstillingen.

Fig. 4 viser detonatorsammenstillingen sett nedenfra.

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.

DETALJERT BESKRIVELSE

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

(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.

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

og en separat ladningsmotstand vil da ikke være nødvendig.

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.

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.

I andre utførelser kan andre detonatorsammenstillinger med andre typer energikilder (en annen enn kondensatoren 108) anvendes.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Den mindre størrelse av foreliggende oppfinnelsesgjenstand muliggjør ny

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.

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).

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.

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.

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.

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.