CN104481469B - 基于使用单芯电缆的数码电子雷管的多级点火射孔起爆系统 - Google Patents
基于使用单芯电缆的数码电子雷管的多级点火射孔起爆系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种多级点火射孔用的数码电子雷管及其构成的多级点火射孔起爆系统，所述多级点火射孔起爆系统包括由射孔枪、数码电子雷管组成的多级射孔单元，多级射孔单元按编码顺序连接电缆后，通过地面控制起爆器与测井地面系统连接；其中每支射孔单元的数码电子雷管包括封装在管壳内的基础雷管以及与电子控制模块连接的发火元件，数码电子雷管的三根脚线分别连接前级数码电子雷管的输出、后级数码电子雷管的输入和井壁；第一级数码电子雷管的输入通过单芯电缆与地面控制起爆器相连。本发明使用集成电路代替传统分离元件，提高可靠性，可实现单芯电缆的双向通信，实现井下雷管状态的全功能检测，并提供丰富的组合起爆和高精度延期起爆模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下射孔设备，具体是一种基于使用单芯电缆的数码电子雷管的多级点火射孔起爆系统。
背景技术
在石油和页岩气开采作业中，井下射孔作业是一项重要的工序，是将射孔枪下放到井下目的层，利用起爆装置引爆，引爆后聚能射孔弹将射孔枪、套管和水泥层穿出孔道，使地层与钻井相通，达到地层油气能顺利流入井内的目的。
多级射孔工艺指在下一次管串的情况下，一次性射开多个油气层的射孔工艺技术，可以减少射孔次数，节约作业时间和成本。常规的多级射孔作业方式是采用加夹层枪射孔工艺、多个压力点火头分级射孔工艺、多级投棒射孔工艺等传统机械模式和和电子脉冲编码点火四种。
例如，申请号200810228974.X的中国专利公开了一种分段式油管传输复合射孔工艺，此种射孔工艺采用多级起爆的方式，上部第一级的点火方式与正常点火方式一样，可以采用油管加压点火、投棒点火或油套加压点火等方式，下部各个次级可以采用压力点火、压力延迟点火或投棒点火等方式，其射孔管串连接关系如下：上部射孔器的底部连接具有双重功能的下挂接头，接头中心连接具有延迟点火功能的中速火药药柱，外边采用泄压足够快的筛管，筛管下部连接夹层射孔器或油管，再下部是正常射孔管串。再如，公开号102704898A的中国专利公开了一种编码式分级射孔仪器，该专利采用一种传统分离电子元件搭建的电路，实现编码式分级选发射孔仪。该仪器通过地面控制系统和雷管控制系统的20V脉冲开关控制，在确定井下状态正确无误的前提下，通知程控电源送出200V点火信号，完成本层位的射孔，并准备下一层位的作业。
机械传动多级射孔模式存在的主要问题在于：对大段距、多层段射孔，夹层枪多，作业工作量大，作业强度大，成本高，且传爆环节多，可靠性低，适用的工况要求苛刻，不适用于大斜度斜井、水平井射孔作业 ；常规的未爆处理的流程复杂，可靠性低，施工时自毁装置仍存在不起爆风险，工程事故处理施工时间较长，可靠性、安全性较差。
由传统分离器件组成的编码脉冲多级射孔模式存在的主要问题在于：井下组件部件多，安装流程复杂，系统总体可靠性差，单向通讯，起爆前对井下雷管状态不可检测，作业电压高，大于人体安全电压，作业时存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服现有石油工业中多级射孔存在的上述问题，提供一种多级点火射孔用的数码电子雷管及其构成的多级点火射孔起爆系统，有效的克服了传统机械传动射孔模式的诸多缺点，和分离器件搭建的电子免除编码模式具有的可靠性低，功能单一、安全性差等缺点。
按照本发明提供的技术方案，所述基于使用单芯电缆的数码电子雷管的多级点火射孔起爆系统，包括由射孔枪、数码电子雷管组成的多级射孔单元，多级射孔单元按编码顺序连接电缆后，通过地面控制起爆器与测井地面系统连接；其中每支射孔单元的数码电子雷管包括封装在管壳内的基础雷管以及与电子控制模块连接的发火元件，数码电子雷管的三根脚线分别为输入脚线、输出脚线和接地脚线，分别连接前级数码电子雷管的输出脚线、后级数码电子雷管的输入脚线和井壁；第一级数码电子雷管的输入脚线通过单芯电缆与地面控制起爆器相连。
所述数码电子雷管通过卡口塞将电子控制模块、发火元件和基础雷管封装在管壳内，电子控制模块前端三个端口分别与三根脚线相连，三根脚线穿过卡口塞引出，电子控制模块后端两个端口分别连接发火元件两端，发火元件与基础雷管相接。
具体的，所述电子控制模块包括：数码电子雷管的输入脚线分别通过保护电阻和全波整流电路连接到控制芯片的输入管脚，控制芯片的级联开关2个管脚分别连接输入脚线、输出脚线，控制芯片的电源管理输出管脚连接到储能电容一端，储能电容另一端连接接地脚线，控制芯片的发火管脚连接到发火元件正极，发火元件负极经过电子控制模块后端端口连接接地脚线；输入脚线、输出脚线、接地脚线组成总线。
具体的，所述控制芯片内部包括：电源管理模块、信号发送接收模块、微处理器模块、级联开关和延时起爆定时模块；控制芯片的输入管脚为电源、信号复用管脚，数码电子雷管输入脚线经过保护电阻连接信号发送接收模块，输入脚线经过全波整流电路连接电源管理模块；电源管理模块与微处理器模块相连，微处理器模块的输出端连接级联开关的控制端，并连接延时起爆定时模块的输入端；级联开关串接在输入脚线和输出脚线之间，延时起爆定时模块输出端连接发火元件正极，电源管理模块的输出连接储能电容。
所述延时起爆定时模块输出端还通过自检模块连接到微处理器模块，自检模块将端口信息和芯片的状态的检查结果提供给微处理器模块。
所述控制芯片内部还包括振荡器和复位模块，电源管理模块经过振荡器连接微处理器模块，复位模块分别与电源管理模块、振荡器以及微处理器模块连接；电源管理模块从总线抽取能量，并提供给振荡器模块和整个芯片；复位模块通过控制振荡器和电源管理模块，控制芯片的工作状态。
输入脚线、输出脚线、接地脚线组成的总线，经信号发送接收模块发送给微处理器模块，微处理器模块再将返回的信号经信号发送接收模块发送到总线上。
所述微处理器模块通过控制延时起爆定时模块产生发火起爆信号，通过控制级联开关模块完成级联开关的切换。
本发明的优点是：使用集成电路代替传统分离元件，提高可靠性，可实现单芯电缆的双向通信，实现井下雷管状态的全功能检测，并提供丰富的组合起爆和高精度延期起爆模式。本发明采用数码电子雷管，抗直流冲击和抗杂散电流性能好，提高了使用安全性。
附图说明
图1是本发明的多级点火射孔起爆系统结构图。
图2是本发明的数码电子雷管结构图。
图3是数码电子雷管内电子控制模块结构框图。
图4是电子控制模块内控制芯片内部结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括由射孔枪12、数码电子雷管13组成的多级射孔单元，多级射孔单元按编码顺序连接电缆后，通过地面控制起爆器9与测井地面系统连接；其中每支射孔单元的数码电子雷管13包括封装在管壳5内的基础雷管8以及与电子控制模块6连接的发火元件7，数码电子雷管13的三根脚线分别为输入脚线1、输出脚线3和接地脚线2，分别连接前级数码电子雷管的输出脚线、后级数码电子雷管的输入脚线和井壁10；输入脚线1、输出脚线2、接地脚线3组成传输信号和能量的总线；第一级数码电子雷管13的输入脚线1通过单芯电缆11与地面控制起爆器9相连。
本发明设计了一种适用于电缆射孔管串一次性下井实施多次射孔作业中的多级点火射孔用的数码电子雷管。如图2所示，数码电子雷管13通过卡口塞4将电子控制模块6、发火元件7和基础雷管8封装在管壳5内，电子控制模块6前端三个端口与三根脚线相连，三根脚线穿过卡口塞4引出，电子控制模块6后端两个端口连接发火元件两端，发火元件与基础雷管8（起爆药剂）相接，形成一个完整的数码电子雷管。
在本发明的设计中，一个具有三个对外接口的电子控制模块6被置于电子雷管内部，位于卡口塞和起爆药剂之间，与传统工业电雷管相比，增加了一根脚线和一个电子控制模块。
所述电子控制模块6的结构如图3所示，前级总线（输入脚线1）通过保护电阻15连接到控制芯片17的电源/信号复用管脚，同时通过全波整流电路16连接到控制芯片17的电源/信号复用管脚；前级总线和后级总线（输出脚线3）直接连接到控制芯片17的内部级联开关18管脚；控制芯片17内部电源管理模块通过电源管理输出管脚连接到储能电容19一端，储能电容19另一端连接接地脚线2；发火元件正极直接连接到控制芯片17的发火管脚，发火元件7负极经过电子控制模块6后端端口连接接地脚线2。
图4给出了控制芯片17的一种内部结构，主要包括：信号发送接收模块（总线信号发送/接收模块、数据包的解包/打包模块），微处理器模块、级联开关18、延时起爆定时模块，以及电源管理模块、内置振荡器、自检电路等模拟电路模块。控制芯片17的输入管脚为电源、信号复用管脚，数码电子雷管输入脚线1经过保护电阻15连接信号发送接收模块，输入脚线1经过全波整流电路16连接电源管理模块；电源管理模块与微处理器模块相连，微处理器模块的输出端连接级联开关18的控制端，并连接延时起爆定时模块的输入端；级联开关18串接在输入脚线1和输出脚线3之间，延时起爆定时模块输出端连接发火元件7正极，电源管理模块的输出连接储能电容19。
由输入脚线1、输出脚线2、接地脚线3组成的总线，经由总线发送信号接收模块检测出总线信号，并由数据包解包模块得到所包含的信息，交由微处理器完成处理工作；微处理器将需要发送的信号通过数据包打包模块后，由总线返回信号发送模块将其发送到总线上。电源管理模块经过振荡器连接微处理器模块，复位模块分别与电源管理模块、振荡器以及微处理器模块连接。电源管理模块从总线抽取能量，并提供给内置振荡器模块和整个芯片。复位模块通过控制振荡器和电源管理模块，控制芯片的工作状态。延时起爆定时模块输出端还通过自检模块连接到微处理器模块。自检模块将端口信息和芯片的状态的检查结果，提供给微处理器。微处理器通过控制延时起爆定时模块产生发火起爆信号；通过控制级联开关模块完成级联开关的切换。
所述地面控制起爆器9是在具有标准的操作系统和用户界面通用的手持终端设备基础上，通过加装总线驱动板卡组成；该起爆器通过与井下数码电子雷管13建立双向通信，完成对用户数据下载到雷管和雷管内部数据的上传，并最终控制雷管完成起爆功能。
安装完成后，地面控制起爆器9通过载波信号与第一级数码电子雷管建立通讯，完成雷管状态信息的上传和起爆配置信息的下传，并通过指令打开级联开关18，与下一级数码电子雷管建立通讯，并可依次完成所有数码电子雷管的通讯与配置。并最终在用户的操作下完成预定的起爆射孔操作。
所述电子控制模块6具有电源管理、信号检出、开关管理、内部自检、数据回传等功能，形成一个完整的控制单元。
本发明任务针对传统机械控制的多级射孔技术的结构复杂、加工困难、可靠性低等缺点，同时针对分离电子器件的多级射孔技术所具有的井下组件部件多，安装流程复杂，系统总体可靠性差，单向通讯，起爆前对井下雷管状态不可检测，作业电压高，大于人体安全电压，作业时存在安全隐患等缺点，具有如下优点：
1 本发明井下射井单元的电子部分，仅使用一个三脚线的雷管即可，大大简化了安装流程，减少了连续出错的概率。
2 本发明避免使用机械传动部件，提高了多级射孔弹的适用环境，可在垂直井、斜井、水平井中使用，特别是可以解决大斜度井及水平井多层段、大段距、负压射孔等需求。
3 本发明使用集成电路代替传统分离元件，提高可靠性的同时，新增了双向通信、井下实施自测试、延时起爆、多次起爆等功能。
4 本发明使用多级串联，可以完成多次受控点火；同时采用电学隔离技术，即使后级爆破时连接电缆的绝缘鞋被破坏，依然不影响后级的继续使用。
5 本发明采用的电压低于人体安全电压，提高了野外使用环境下的安全性。
6 本发明采用数码电子雷管，抗直流冲击和抗杂散电流性能好，提高了使用安全性。
Claims (4)
1.基于使用单芯电缆的数码电子雷管的多级点火射孔起爆系统，包括由射孔枪（12）、数码电子雷管（13）组成的多级射孔单元，多级射孔单元按编码顺序连接电缆后，通过地面控制起爆器（9）与测井地面系统连接；其特征是：其中每支射孔单元的数码电子雷管（13）包括封装在管壳（5）内的基础雷管（8）以及与电子控制模块（6）连接的发火元件（7），数码电子雷管（13）的三根脚线分别为输入脚线（1）、输出脚线（3）和接地脚线（2），分别连接前级数码电子雷管的输出脚线、后级数码电子雷管的输入脚线和井壁；第一级数码电子雷管（13）的输入脚线（1）通过单芯电缆与地面控制起爆器（9）相连；
所述地面控制起爆器（9）在具有标准的操作系统和用户界面通用的手持终端设备基础上，通过加装总线驱动板卡组成；该起爆器通过与井下数码电子雷管（13）建立双向通信，完成对用户数据下载到雷管和雷管内部数据的上传，并最终控制雷管完成起爆功能；采用电学隔离技术，即使后级爆破时连接电缆的绝缘鞋被破坏，依然不影响后级的继续使用；采用的电压低于人体安全电压，提高了野外使用环境下的安全性；
所述电子控制模块（6）包括：数码电子雷管（13）的输入脚线（1）分别通过保护电阻(15)和全波整流电路(16)连接到控制芯片（17）的输入管脚，控制芯片（17）的级联开关2个管脚分别连接输入脚线（1）、输出脚线（3），控制芯片（17）的电源管理输出管脚连接到储能电容（19）一端，储能电容（19）另一端连接接地脚线（2），控制芯片（17）的发火管脚连接到发火元件正极，发火元件（7）负极经过电子控制模块（6）后端端口连接接地脚线（2）；输入脚线（1）、输出脚线（2）、接地脚线（3）组成总线；
所述控制芯片（17）内部包括：电源管理模块、信号发送接收模块、微处理器模块、级联开关（18）和延时起爆定时模块；控制芯片（17）的输入管脚为电源、信号复用管脚，数码电子雷管输入脚线（1）经过保护电阻(15)连接信号发送接收模块，输入脚线（1）经过全波整流电路(16)连接电源管理模块；电源管理模块与微处理器模块相连，微处理器模块的输出端连接级联开关（18）的控制端，并连接延时起爆定时模块的输入端；级联开关（18）串接在输入脚线（1）和输出脚线（3）之间，延时起爆定时模块输出端连接发火元件（7）正极，电源管理模块的输出连接储能电容（19）；
所述控制芯片（17）内部还包括振荡器和复位模块，电源管理模块经过振荡器连接微处理器模块，复位模块分别与电源管理模块、振荡器以及微处理器模块连接；电源管理模块从总线抽取能量，并提供给振荡器模块和整个芯片；复位模块通过控制振荡器和电源管理模块，控制芯片的工作状态；
所述延时起爆定时模块输出端还通过自检模块连接到微处理器模块，自检模块将端口信息和芯片的状态的检查结果提供给微处理器模块。
2.如权利要求1所述基于使用单芯电缆的数码电子雷管的多级点火射孔起爆系统，其特征是，所述数码电子雷管（13）通过卡口塞（4）将电子控制模块（6）、发火元件（7）和基础雷管（8）封装在管壳（5）内，电子控制模块（6）前端三个端口分别与三根脚线相连，三根脚线穿过卡口塞（4）引出，电子控制模块（6）后端两个端口分别连接发火元件（7）两端，发火元件（7）与基础雷管（8）相接。
3.如权利要求1所述基于使用单芯电缆的数码电子雷管的多级点火射孔起爆系统，其特征是，输入脚线（1）、输出脚线（2）、接地脚线（3）组成的总线，经信号发送接收模块发送给微处理器模块，微处理器模块再将返回的信号经信号发送接收模块发送到总线上。
4.如权利要求1所述基于使用单芯电缆的数码电子雷管的多级点火射孔起爆系统，其特征是，所述微处理器模块通过控制延时起爆定时模块产生发火起爆信号，通过控制级联开关模块完成级联开关的切换。
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