DE112015006418T5

DE112015006418T5 - Laserzündkopf für Bohrlochperforator

Info

Publication number: DE112015006418T5
Application number: DE112015006418.4T
Authority: DE
Inventors: Neal Gregory Skinner; Etienne Samson
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2018-01-11
Also published as: GB201717769D0; NO20171672A1; WO2016209259A1; US10941637B2; US20180119530A1; GB2554263A; GB2554263B

Abstract

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden Systeme und Verfahren zum Auslösen einer Detonation in einem Bohrlochperforator über optische Signale bereitgestellt. Ein verbesserter Laserzündkopf kann mit einem Lichtwellenleiter (bspw. Glasfaserkabel) verwendet werden, welcher durch das Bohrloch verläuft, um eine Detonation in einem Bohrlochperforator als Reaktion auf ein optisches Signal auszulösen. Der Laserzündkopf kann bei der Anwendung eines optischen Signals, das von der Oberfläche aus ausgegeben und durch den Lichtwellenleiter übertragen wird, aktiviert und der Bohrlochperforator gezündet werden. Das offenbarte System unter Verwendung des Laserzündkopfs mit dem Lichtwellenleiter kann gegenüber elektrischen Interferenzen unempfindlich sein, da der Laserzündkopf den Bohrlochperforator nur dann zünden kann, wenn eine regelrecht modulierte Laser- oder Lichtquelle für einen spezifischen Zeitraum an dem Lichtwellenleiter herab geleitet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Operationen des Bohrens von Bohrlöchern und des Abbaus von Kohlenwasserstoffen und insbesondere einen Laserzündkopf, um in einer Perforationsvorrichtung im Laufe von Abbauoperationen von Kohlenwasserstoffen eine Detonation auszulösen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Kohlenwasserstoffe wie etwa Öl und Gas werden gewöhnlich aus unterirdischen Formationen erhalten, die sich an Land oder auf See befinden können. Die Entwicklung unterirdischer Formationen und die am Entfernen von Kohlenwasserstoffen aus einer unterirdischen Formation beteiligten Abläufe umfassen typischerweise eine Anzahl unterschiedlicher Schritte wie beispielsweise ein Bohren eines Bohrlochs an einem gewünschten Bohrplatz, ein Behandeln des Bohrlochs zum Optimieren der Förderung von Kohlenwasserstoffen und Durchführen der erforderlichen Schritte zum Fördern und Verarbeiten der Kohlenwasserstoffe aus der unterirdischen Formation.
Nach dem Bohren eines Bohrlochs, das eine unterirdische Kohlenwasserstoffe lagernde Formation durchteuft, kann eine Vielfalt an Bohrlochwerkzeugen im Laufe der Fertigstellung, Förderung oder im Laufe von Schadensbehebungsmaßnahmen in dem Bohrloch positioniert werden. Bei der Komplettierung von Öl- und Gasbohrungen ist es allgemein üblich, einen Rohrstrang, auch als Futterrohr bekannt, in die Bohrung einzusetzen und eine Zementauskleidung um das Äußere des Futterrohrs zu verwenden, um die unterschiedlichen Formationen zu isolieren, welche von der Bohrung durchdrungen werden. Um eine Fluidverbindung zwischen den Kohlenwasserstoffe lagernden Formationen und dem Inneren des Futterrohrs herzustellen, werden das Futterrohr und die Zementauskleidung perforiert, typischerweise unter Verwendung eines Bohrlochperforators oder einer ähnlichen Apparatur.
Bohrlochperforatoren stellen typischerweise eine Verbindung zwischen den Formationen und dem Inneren des Futterrohrs durch die Verwendung von Sprengstoffen wie etwa Hohlladungen her, um ein oder mehrere Löcher in dem Futterrohr zu schaffen. Eine Detonation in Bohrlochperforatoren wird im Allgemeinen bei Empfang eines elektrischen Signals, das von der Oberfläche aus gesendet wird, im Bohrloch ausgelöst. Es ist wünschenswert, einen Sprengzünder zum Zünden eines oder mehrerer Bohrlochperforatoren erst dann auszulösen, wenn die Bohrlochperforatoren auf bestimmten vorgegebenen Positionen im Inneren des Bohrlochs angeordnet sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Offenbarung und ihrer Merkmale und Vorteile wird nun auf die folgende Beschreibung Bezug genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu betrachten ist, in denen:
1 eine schematische Querschnittsteilansicht ist, die ein Perforationssystem, welches in einer Bohrlochumgebung eingesetzt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 eine schematische Schnittansicht ist, welche das Perforationssystem aus 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3A–3C schematische Darstellungen sind, welche verschiedene Ausführungsformen eines Laserzündkopfs darstellen, die in dem Perforationssystem aus 1 und 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können; und
4 eine schematische Darstellung ist, die eine Vielzahl von Laserzündköpfen zeigt, welche entlang eines einzelnen Lichtwellenleiters angeordnet sind, der zum Auslösen einer Detonation in einer Vielzahl von Bohrlochperforatoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier im Detail beschrieben. Im Interesse der Eindeutigkeit werden in dieser Beschreibung nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Umsetzung beschrieben. Selbstverständlich versteht es sich, dass bei der Entwicklung einer beliebigen solchen tatsächlichen Ausführungsform zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erreichen, wie etwa die Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Einschränkungen, die von einer Umsetzung zur anderen variieren. Zudem versteht es sich, dass ein solcher Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwändig sein könnte, aber dennoch ein Routineunterfangen für den Durchschnittsfachmann wäre, für den die vorliegende Offenbarung von Vorteil ist. Zudem sollten die folgenden Beispiele in keiner Weise derart ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken oder definieren.
Bestimmte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung können Systeme und Verfahren zum Auslösen einer Detonation in einem Bohrlochperforator über optische Signale betreffen. Die offenbarten Techniken können dazu verwendet werden, die Effektivität und Genauigkeit von Bohrloch-perforierenden Operationen zu steigern, indem sie die Wahrscheinlichkeit im Wesentlichen reduzieren, dass Bohrlochperforatoren an der Oberfläche oder einer ungewünschten Stelle innerhalb des Bohrlochs zünden.
Gegenwärtig existierende Bohrlochperforatoren werden typischerweise als Reaktion auf ein elektrisches Signal gezündet, das an eine Sprengzündervorrichtung im Bohrloch gesendet wird. Elektrisch gezündete Bohrlochperforatoren können zu ungewünschten Zeitpunkten ausgelöst werden, was unter anderem an elektrischen Interferenzen liegt. Um diese Nachteile zu überwinden, sind vorliegende Ausführungsformen auf einen verbesserten Laserzündkopf gerichtet, der mit einem Lichtwellenleiter (bspw. Glasfaserkabel) verwendet werden kann, welcher durch das Bohrloch verläuft, um eine Detonation in einem Bohrlochperforator als Reaktion auf ein optisches Signal auszulösen. Der Laserzündkopf kann bei der Anwendung eines optischen Signals, das von der Oberfläche aus ausgegeben und durch den Lichtwellenleiter übertragen wird, aktiviert und der Bohrlochperforator gezündet werden. Das offenbarte System unter Verwendung des Laserzündkopfs mit dem Lichtwellenleiter kann gegenüber elektrischen Interferenzen unempfindlich sein, da der Laserzündkopf den Bohrlochperforator nur dann zünden kann, wenn eine regelrecht konfigurierte Laser- oder Lichtquelle für einen spezifischen Zeitraum an dem Lichtwellenleiter herab geleitet wird.
Der offenbarte Laserzündkopf kann zur Verwendung mit bestehenden Bohrlochperforatoren und den damit verbundenen Sprengzündern einfach angepasst werden. Zu diesem Zweck kann der Laserzündkopf mit einer optoelektronischen Schaltung versehen sein, die dazu konzipiert ist, einen umfangreichen Betrag an gespeicherter Energie zum Zünden des Bohrlochperforators aus einem Kondensator in einen Sprengzünder zu leiten, was als Reaktion auf das Empfangen eines gewünschten optischen Signals erfolgt.
Andere Merkmale können verwendet werden, um die Genauigkeit und Effektivität dessen zu verbessern, in dem Bohrlochperforator über den offenbarten Laserzündkopf eine Detonation auszulösen. Beispielsweise können in den Laserzündkopf unterschiedliche Filter integriert werden, um zu gewährleisten, dass der Sprengzünder nur beim Empfangen eines spezifischen modulierten optischen Signals in dem Laserzündkopf ausgelöst wird. Die offenbarten Systeme und Verfahren können einfach angepasst werden, um eine Reihenzündung mehrerer Laserzündköpfe und Bohrlochperforatoren über optische Signale zu ermöglichen, die über einen einzelnen Lichtwellenleiter kommuniziert werden. Der offenbarte Laserzündkopf kann eine höhere Effektivität und Genauigkeit der Bohrlochperforatordetonation ermöglichen als bei jener, die gegenwärtig unter Verwendung elektrisch ausgelöster Systeme verfügbar ist. Zudem kann der Laserzündkopf in der Fertigung verhältnismäßig einfach und kostengünstig sein, weil er aus gewerblich erhältlichen Komponenten konstruiert werden kann. Ferner kann der Laserzündkopf mit gegenwärtig existierenden an Stromleitungen gebundenen Sprengzündern und Bohrlochperforatoren kompatibel sein, was ein Nachrüsten existierender Perforationssysteme mit dem optisch ausgelösten Laserzündkopf erlaubt.
An dieser Stelle wird auf die Zeichnungen verwiesen, wobei 1 Geräte für eine Ölbohrung darstellt, die in einer veranschaulichenden Bohrumgebung verwendet werden. Eine Bohrplattform 2 trägt einen Bohrturm 4, der einen Bewegungsblock 6 zum Anheben und Absenken eines (nicht gezeigten) Bohrstrangs aufweist. Der Bohrstrang schafft ein Bohrloch 16, das unterschiedliche Formationen 18 passiert. Zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Laufe des Bohrvorgangs kann der Bohrstrang aus dem Bohrloch 16 entfernt werden. Der Darstellung gemäß kann sich in dem Bohrloch 16 ein Futterrohr 20 befinden, das im Inneren des Bohrlochs 16 festzementiert ist.
Nachdem der Bohrstrang entfernt und das Bohrloch 16 gefüttert worden ist, können wie gezeigt Perforationsoperationen in dem Bohrloch 16 durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann ein Perforationssystem 22 in das Bohrloch 16 abgesenkt und in dessen Inneren positioniert werden. Ein oder mehrere Bohrlochperforatoren 24 in dem Perforationssystem 22 können gegenüber vorgegebenen Stellen positioniert werden, um Perforationen 26 durch das Futterrohr 20, den (nicht gezeigten) Zement und nach außen in die unterirdische Formation 18, welche das Bohrloch 16 umgibt, auszubilden.
Der Darstellung gemäß kann es sich bei dem Perforationssystem 22 um ein an eine Wireline gebundenes Perforationssystem handeln, welches in das Bohrloch 16 abgesenkt wird, beispielsweise an einer Wireline 30, die von einem Wireline-Lastwagen 32 abgewickelt wird. In anderen Ausführungsformen jedoch kann das Perforationssystem 22 über einen rohrförmigen Strang (wie etwa einen Arbeitsstrang, einen Förderrohrstrang, einen Einspritzstrang usw.), eine Slickline oder gewickelte Rohre in das Bohrloch abgesenkt werden. In weiteren Ausführungsformen kann das Perforationssystem 22 über eine Pumpe an der Oberfläche oder per Gravitationsanziehung in das Bohrloch 16 befördert werden.
In dem vorliegend offenbarten System kann die Wireline 30 oder eine andere Transportapparatur (bspw. ein rohrförmiger Strang, eine Slickline, eine Verrohrung usw.) einen Lichtwellenleiter 34 zum Kommunizieren von Auslösebefehlen zum Zünden des Bohrlochperforators 24 aufweisen. Der Lichtwellenleiter 34 kann eine oder mehrere Lichtleitfasern enthalten, die kommunikativ zwischen einer optischen Quelle 36 und einem im Bohrloch angeordneten Laserzündkopf 38 gekoppelt sind. Der Darstellung gemäß kann es sich bei der optischen Quelle 36 um eine Laser- oder Lichtquelle handeln, die an der Oberfläche des Bohrlochs 16 positioniert ist. In manchen Ausführungsformen kann die optische Quelle 36 verwendet werden, um ein moduliertes optisches Signal durch den Lichtwellenleiter 34 auszugeben.
Der Laserzündkopf 38 wird verwendet, um eine Zündung oder Detonation in den Bohrlochperforatoren 24 als Reaktion auf ein optisches Signal zu initiieren, das über den Lichtwellenleiter 34 empfangen wird, wenn gewünscht wird, die Perforationen 26 auszubilden. Zudem kann der Laserzündkopf 38 dazu verwendet werden, die von dem Lichtwellenleiter 34 empfangenen optischen Signale in elektrische Energie zum Versorgen eines Sprengzünders mit Leistung umzuwandeln, welcher zum Zünden des Bohrlochperforators 24 verwendet wird. Wenngleich der Laserzündkopf 38 der Abbildung in 1 nach oberhalb des Bohrlochperforators 24 angeschlossen ist, können ein oder mehrere Laserzündköpfe 38 an jeder beliebigen Stelle in dem Perforationssystem 22 miteinander verbunden sein, wobei die Stelle(n) vorzugsweise anhand einer Detonationsreihe mit einem oder mehreren Bohrlochperforatoren 24 verbunden sind.
Der optisch aktivierte Laserzündkopf 38 kann eine effektivere und genauere Steuerung des Detonationsvorgangs zum Zünden von einem oder mehreren Bohrlochperforatoren 24 ermöglichen. Da der Laserzündkopf 38 nur auf spezifische optische Signale reagiert, die er von dem Lichtwellenleiter 34 empfängt, kann das System weniger anfällig sein für eine versehentliche Detonation, bevor der Bohrlochperforator 24 an einer gewünschten Stelle im Bohrloch positioniert ist. Da der Laserzündkopf 38 optisch betrieben wird, ist keine externe elektrische Leistung erforderlich, um eine Detonation in dem Perforationssystem 22 auszulösen. Dementsprechend kann das Perforationssystem 22 gegenüber elektromagnetischen Interferenzen oder Funkstörungen unanfällig sein, welche einen elektrisch betriebenen Zündkopf ansonsten stören könnten.
Wenngleich dies nicht gezeigt wird, kann das Perforationssystem 22 in Ausführungsformen, in denen das Perforationssystem 22 über einen rohrförmigen Strang abgesenkt wird, anhand eines Packers in dem Futterrohr 20 positioniert, abgedichtet und gesichert werden. Ein solcher Packer würde einen Ringraum abdichten, der radial zwischen dem Rohrstrang und dem Bohrloch 16 ausgebildet wird. In Perforationssystemen mit Transport über einen rohrförmigen Strang kann der offenbarte Lichtwellenleiter 34 entlang des Gestänges oder anderer rohrförmiger Glieder verlaufen, welche zu dem Laserzündkopf 38 führen.
In manchen Ausführungsformen kann der Lichtwellenleiter 34 auch dazu verwendet werden, zusätzliche Operationen im Bohrloch durchzuführen. Beispielsweise kann der Lichtwellenleiter 34 verwendet werden, um Folgendes bereitzustellen: eine Erfassung unterschiedlicher Parameter im Bohrloch (bspw. Temperatur, Druck, Vibration usw.) anhand von Lichtleitern, eine Telemetrie für bestimmte Komponenten im Bohrloch und Steuersignale zum Betreiben anderer Komponenten in dem Untertagesystem.
Es ist bemerkenswert, dass es sich bei dem System aus 1 lediglich um ein Beispiel für eine unbegrenzte Vielfalt verschiedener Bohrungssysteme handelt, in denen Prinzipien dieser Offenbarung ausgeführt werden können. Daher ist der Umfang dieser Offenbarung keineswegs auf all die Einzelheiten des Bohrungssystems, den damit verbundenen Verfahren, dem Perforationssystem 22 usw. beschränkt, die hier beschrieben oder in den Zeichnungen abgebildet werden. Beispielsweise ist es nicht notwendig, dass das Bohrloch 16 vertikal ist, dass ein einzelner Bohrlochperforator 24 vorliegt oder dass der Zündkopf 38 oberhalb des Bohrlochperforators 24 positioniert wird usw. Stattdessen soll die Bohrungssystemkonfiguration aus 1 lediglich veranschaulichen, wie die Prinzipien dieser Offenbarung auf ein beispielhaftes Perforationssystem 22 angewandt werden können, um eine effektiv gesteuerte Detonation in dem Bohrlochperforator 24 bereitzustellen. Diese Prinzipien können auf viele andere Beispiele für Bohrungssysteme und Perforationssysteme angewandt werden, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
Nach der Erläuterung des allgemeinen Aufbaus des Perforationssystems 22, der im Laufe von Fertigstellungen von Bohrungen verwendet wird, wird eine ausführlichere Beschreibung bestimmter Komponenten des Perforationssystems 22 bereitgestellt. Zu diesem Zweck bildet 2 eine mögliche Anordnung der Komponenten des Perforationssystems 22 ab, die im Bohrloch verwendet werden kann. Das Perforationssystem 22 kann unter anderem den Bohrlochperforator 24, den Laserzündkopf 38 und einen Sprengzünder 48 beinhalten.
Der Bohrlochperforator 24 kann mit einem Perforatorträgergehäuse 50 versehen sein, das aus einem zylindrischen Ärmel besteht, der eine Vielzahl radial reduzierter Bereiche aufweist, die als Einbuchtungen oder Aussparungen 52 abgebildet werden. Auf jede der Aussparungen 52 ist radial eine jeweilige aus einer Vielzahl von Hohlladungen 54 ausgerichtet, wie in 2 erkennbar. Jede der Hohlladungen 54 kann eine Ladungshülse 56 und eine Auskleidung 58 aufweisen. Zwischen jeder Ladungshülse 56 und Auskleidung 58 ist eine Menge brisanten Sprengstoffs angeordnet.
Die Hohlladungen 54 werden durch eine Ladungshalterung 60, welche in manchen Ausführungsformen ein Ladungshalterungsaußengehäuse und ein Ladungshalterungsinnengehäuse aufweist, im Inneren des Perforatorträgergehäuses 50 festgehalten. Wenngleich dies nicht gezeigt wird, trägt das Außenrohr in solchen Konfigurationen die Entladungsenden der Hohlladungen 54, während das Innenrohr die Initialenden der Hohlladungen 54 trägt. In der oder um die Ladungshalterung 60 ist eine Sprengschnur 62, wie etwa Primacord^®, angeordnet, die dazu verwendet wird, eine Detonation in den Hohlladungen 54 auszulösen. Es können beliebig viele Anordnungen der Hohlladungen 54, Ladungshalterung 60 und Sprengschnur 62 in Ausführungsformen des Bohrlochperforators 24 gemäß der vorliegenden Offenbarung gebraucht werden.
Das Perforationssystem 22 kann auch mit dem Sprengzünder 48 versehen sein, der zum Zünden der unterschiedlichen Hohlladungen 54 des Bohrlochperforators 24 verwendet wird. Der Darstellung gemäß kann die Sprengschnur 62 von dem Sprengzünder 48 zum hinteren Teil jeder Hohlladung 54 im Inneren des Bohrlochperforators 24 verlaufen. Die Sprengschnur 62 kann verwendet werden, um eine Detonation (sprich, Schockwelle) durch den Bohrlochperforator 24 zu übermitteln, um alle Hohlladungen 54 zu zünden, sobald der Sprengzünder 48 durch den Laserzündkopf 38 ausgelöst wird.
Der Sprengzünder 48 kann eine beliebige Sprengzünderart sein, einschließlich beispielsweise eines RED^® (Rig Environment Detonator), ein Produkt von JET RESEARCH CENTER^®, das für die Verwendung in Untertageoperationen konzipiert wurde. Der Sprengzünder 48 kann eine elektro-explosive Vorrichtung sein, die dazu konzipiert ist, eine Schockwelle als Reaktion darauf eine Sprengschnur 62 entlang zu senden, dass sich ein Element in dem Sprengzünder 48 sehr schnell erhitzt. Diese Hitze kann durch ein Halbleiterbrückenelement, ein Brückendrahtelement, ein Explosionsfolienelement oder ein sonstiges Element erzeugt werden, in welches über einen kurzen Zeitraum hinweg ein bestimmter Betrag an elektrischer Energie geleitet wird. Als Reaktion auf ein gewünschtes optisches Signal, das durch den Lichtwellenleiter 34 übertragen wird, kann der Laserzündkopf 38 dem Sprengzünder 48 die elektrische Energie zum Zünden des Bohrlochperforators 24, wie hier beschrieben, zuführen. Es ist bemerkenswert, dass in anderen Ausführungsformen des Perforationssystems 22 andere Arten von Sprengzündern 48 verwendet werden können.
In der dargestellten Ausführungsform können der Laserzündkopf 38 und der Sprengzünder 48 an einem oberen Abschnitt des Perforationssystems 22 angeordnet und an den Bohrlochperforator 24 gekoppelt sein. Auf diese Weise kann der Laserzündkopf 38 von den explodierenden Hohlladungen 54 am unteren Abschnitt des Bohrlochperforators 24 abgeschirmt werden. Die explosive Operation des Bohrlochperforators 24 kann bestimmte Teile des Perforationssystems 22 zerstören oder beschädigen. In manchen Ausführungsformen kann der Zündkopf 38 verhältnismäßig separat (und in einem bestimmten Abstand) von dem Bohrlochperforator 24 und dem Sprengzünder 48 gebündelt sein. Dies kann es ermöglichen, den Zündkopf 38 dazu zu verwenden, den Sprengzünder 48 zu aktivieren (und dadurch den dargestellten Bohrlochperforator 24 zu zünden), welcher wahlweise aus dem Perforationssystem 22 entfernt wird, und danach in einem anderen Perforationssystem wiederzuverwenden, um einen anderen Sprengzünder zum Zünden eines anderen Bohrlochperforators zu aktivieren.
3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des vorliegend offenbarten Laserzündkopfs 38, der zum Aktivieren des Sprengzünders 48 als Reaktion auf ein spezifisches optisches Signal 88, das durch den Lichtwellenleiter 34 empfangen wird, verwendet werden kann. Der Darstellung gemäß ist der Laserzündkopf 38 mit einer optoelektronischen Schaltung 90 versehen, die zum Aktivieren des Sprengzünders 48 als Reaktion auf das optische Signal 88 an den Sprengzünder 48 gekoppelt ist.
In der dargestellten Ausführungsform kann die optoelektronische Schaltung 90 zumindest mit einer Photodiode 92, einem Spannungsvervielfacher 94, einem Kondensator 96 und einem Schalter 98 versehen sein. Der Darstellung gemäß kann die optoelektronische Schaltung 90 auch mit einem Widerstand 100 versehen sein, welcher zwischen der Photodiode 92 und dem Spannungsvervielfacher 94 gekoppelt ist. Es ist bemerkenswert, dass andere Ausführungsformen des Laserzündkopfs 38 andere Komponenten oder Kombinationen aus Komponenten im Inneren der optoelektronischen Schaltung 90 beinhalten können.
Die dargestellte Photodiode 92 kann eine einzelne Photodiode oder eine Reihe von Photodioden repräsentieren. Die eine oder mehreren Photodioden 92 können über das optische Signal 88 erleuchtet werden, das in einer optischen Quelle (bspw. der an der Oberfläche der Bohrung positionierten Lichtquelle) generiert und über den Lichtwellenleiter 34 zu dem Laserzündkopf 38 übertragen wird. Wie weiter oben erwähnt, kann die Lichtquelle ein moduliertes optisches Signal 88 erzeugen, und die eine oder mehreren Photodioden 92 können auf der Grundlage des empfangenen modulierten optischen Signals 88 eine modulierte Spannung über den Widerstand 100 hinweg erzeugen.
Der Spannungsvervielfacher 94 kann dazu verwendet werden, einen Teil der Spannung zu verstärken, welche von der bzw. den Photodiode(n) 92 ausgegeben wird. Der Spannungsvervielfacher 94 kann einen AC-Teil der Spannung über den Widerstand 100 hinweg empfangen, die AC-Spannung verstärken und die herauftransformierte AC-Spannung in eine DC-Spannungsausgabe an den Kondensator 96 umwandeln. Die verstärkte DC-Spannung kann den Kondensator 96 derart aufladen, dass ein bestimmter Betrag an elektrischer Energie aufgebaut und mit der Zeit über den Kondensator 96 hinweg gespeichert wird.
Der Spannungsvervielfacher 94 kann eine verhältnismäßig einfache Vorrichtung sein, die im Allgemeinen aus serienmäßig produzierten Teilen konstruiert ist. In manchen Ausführungsformen kann der Spannungsvervielfacher 94 mit einer Reihe von Dioden und Kondensatoren versehen sein, welche die AC-Eingangsspannung in mehreren Stufen verstärkt. In anderen Ausführungsformen kann der Spannungsvervielfacher 94 mehrere Stufen von Transformatoren enthalten, die an eine ausgangsgleichrichtende Diode oder Graetz-Schaltung zum Abgeben der verstärkten DC-Spannung an den Kondensator 96 gekoppelt sind. In weiteren Ausführungsformen kann es sich bei dem Spannungsvervielfacher 94 um eine Kombination aus diesen beiden Arten handeln, die eine oder mehrere Dioden, Kondensatoren und Transformatoren aufweist, welche zusammenwirken, um die AC-Spannung dahindurch zu verstärken und die verstärkte AC-Spannung in DC umzuwandeln. Beliebige sonstige wünschenswerte Kombinationen aus passiven elektronischen Komponenten (bspw. Kondensatoren, Dioden, Transformatoren usw.) können verwendet werden, um den Spannungsvervielfacher 94 zum Verstärken der Spannung über den Kondensator 96 hinweg auszubilden.
Sobald die Spannung über den Kondensator 96 hinweg einen Schwellenwert erreicht, kann der Schalter 98 angeschaltet werden, um die gespeicherte Energie aus dem Kondensator 96 in den Sprengzünder 48 zu leiten. Beispielsweise kann der Schalter 98 in der dargestellten Ausführungsform mit einer Funkenstrecke versehen sein, die dazu konzipiert ist, durchzuschlagen, wenn die Spannung über den Kondensator 96 hinweg den vorgegebenen Schwellenwert erreicht. Beispielsweise kann der Schalter 98 mit einer Gasentladeröhre (Gas Discharge Tube – GDT) versehen sein, die dazu konzipiert ist, elektrisch durchzuschlagen, wenn der Kondensator 96 (bspw. ein 6-μF-Kondensator) elektrisch auf annähernd 150 Volt DC aufgeladen ist. Bei diesem Durchschlag des GDT kann die in dem Kondensator 96 gespeicherte Energie abrupt in den Sprengzünder 48 geleitet werden. Dieser Betrag an Energie, der dem Sprengzünder 48 innerhalb eines verhältnismäßig kurzen Zeitraums aus dem Kondensator 96 zugeführt wird, kann den Sprengzünder 48 aktivieren, wie weiter oben beschrieben, und dadurch eine Zündung des Bohrlochperforators bewirken.
In manchen Ausführungsformen kann der Betrag an Energie, der dem Sprengzünder 48 aus dem Kondensator 96 zugeführt wird, gleich oder annähernd bei 0,07 Joule betragen, die vor dem Zünden des Bohrlochperforators in dem Kondensator 96 gespeichert sind. Dies stellt einen verhältnismäßig geringen Betrag an gespeicherter Energie dar, der über optische Energie einfach an den Laserzündkopf 38 abgegeben werden kann.
Das offenbarte System kann die gewünschte Spannung an elektrischer Energie, die in dem Kondensator 96 gespeichert ist, über die Umwandlung optischer Signale in DC-Spannung an dem Laserzündkopf 38 stufenweise aufbauen. Da die durch optische Signale verfügbare Leistung im Vergleich zu jener von elektrischen Signalen verhältnismäßig gering ist, kann dieser Vorgang des Aufbauens des gewünschten Betrags an gespeicherter Energie eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen, ehe der Bohrlochperforator gezündet wird. Daher kann es notwendig sein, dass die optische Leistung, welche durch den Lichtwellenleiter 34 übertragen wird, über eine minimale Zeitspanne hinweg vorhanden ist (bspw. einige Sekunden oder Minuten lang), ehe der Laserzündkopf 38 den Sprengzünder 48 aktiviert. Eine niedrigere verfügbare optische Leistung zum Erzeugen des optischen Signals und geringere Effizienzen der Photodioden 92 und des zündenden Kondensators 96 können die Zeitspanne verlängern, welche zum Aufladen des Kondensators 96 erforderlich ist. Die längere Zeitspanne zum Aufladen des Kondensators 96 und letztlich zum Zünden des Bohrlochperforators kann die Wahrscheinlichkeit verringern, dass das System versehentlich ausgelöst wird, da die optische Quelle an der Oberfläche eventuell über eine vorgegebene Zeitspanne hinweg angeschaltet sein muss, bevor die Zündung des Systems erfolgt.
Manche Ausführungsformen des Laserzündkopfs 38 sind dazu konzipiert, nur modulierte optische Leistung von dem Lichtwellenleiter 34 zu verwenden und den Sprengzünder 48 zum Zünden des Bohrlochperforators zu aktivieren. Beispielsweise kann der Spannungsvervielfacher 94 dazu konfiguriert sein, nur eine AC-Spannung von der Photodiode 92 zu empfangen und zu verstärken. Wenn daher die Photodiode 92 des Laserzündkopfs 38, oder der Lichtwellenleiter 34, einer starken und konstanten Lichtquelle (bspw. natürlichem oder künstlichem Licht) ausgesetzt wird, würde die Photodiode 92 ein DC-Signal erzeugen, das nicht durch den Spannungsvervielfacher zum Aufladen des Kondensators 96 verstärkt werden kann. Infolgedessen wird es jedwede dem Spannungsvervielfacher zugeführte DC-Spannung (bspw. aufgrund dessen, dass eine Lichtquelle den Leiter 34 bescheint) nicht ermöglichen, dass der Laserzündkopf 38 den Sprengzünder 48 aktiviert. Daher ist der Laserzündkopf 38 eventuell nicht in der Lage, den Bohrlochperforator zu zünden, außer, das gewünschte modulierte optische Signal 88 wird dem Lichtwellenleiter 34 bereitgestellt.
In anderen Ausführungsformen kann der Laserzündkopf 38 derart konzipiert sein, dass er auf optische Signale reagiert, die nicht moduliert sind. Sprich, der Laserzündkopf 38 kann eine kontinuierliche wellenoptische Leistung von dem Lichtwellenleiter 34 in eine erhöhte Spannung überführen, um den Kondensator 96 aufzuladen. Zu diesem Zweck kann der Laserzündkopf 38 mit einem DC/AC-Wandler versehen sein, der zwischen der Photodiode 92 und dem Spannungsvervielfacher 94 angeordnet ist. Dieser DC/AC-Wandler kann eine DC-Spannung von der Photodiode 92 empfangen, die das konstante, nicht modulierte optische Signal misst, und eine AC-Spannungskomponente des Signals an den Spannungsvervielfacher 94 ausgeben. Der Spannungsvervielfacher 94 kann anschließend die AC-Spannung hochtransformieren und die AC-Spannung in eine verstärkte DC-Spannung zum Aufladen des Kondensators 96 umwandeln. Dies kann ein Zünden des Bohrlochperforators unter Verwendung einer konstanten optischen Leistungsquelle ermöglichen, die an den Lichtwellenleiter 34 gekoppelt ist.
Es ist bemerkenswert, dass der Laserzündkopf 38 für die Verwendung mit existierenden Bohrlochperforatorsystemen und Sprengzündern 48 kompatibel sein kann. In manchen Fällen kann der Laserzündkopf 38 in einem Set zum Nachrüsten eines existierenden elektrisch gezündeten Perforationssystems bereitgestellt werden, sodass das System als Reaktion auf optische Signale anstelle von elektrischen Signalen von der Oberfläche gezündet werden kann.
Der Laserzündkopf 38 kann derart konstruiert sein, dass er ohne die Verwendung jeglicher zerstörbarer Komponenten (bspw. Batterien), die in dem Laserzündkopf 38 untergebracht sind, arbeitet. Der Sprengzünder 48 kann zwar zerstörbar sein, die Komponenten, aus denen sich die optoelektronische Schaltung 90 zusammensetzen, können jedoch wiederverwendbar sein. Somit kann der dargestellte Laserzündkopf 38 mit anderen Sprengzündern wiederverwendbar sein, um andere Bohrlochperforatoren zu zünden. Der Laserzündkopf 38 kann gebündelt sein, um eine Beschädigung aufgrund von Stößen von der Zündung des Bohrlochperforators zu verhüten, sodass der Laserzündkopf 38 mehrmals verwendet werden kann.
Der Darstellung in 3B gemäß kann der Laserzündkopf 38 optional mit einem optischen Filter 110 (sprich, einem optischen Bandfilter) versehen sein, der zwischen der erleuchtenden Faser des Lichtwellenleiters 34 und der einen oder den mehreren Photodioden 92 positioniert ist. Der optische Filter 110 kann den Bereich der optischen Wellenlängen effektiv eingrenzen, die zum Zünden des Bohrlochperforators verwendet werden können. Sprich, der Filter 110 kann das optische Signal 88 nur dann durch die Photodiode 92 lassen, wenn das Signal 88 bei einer optischen Wellenlänge innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereichs durch den Lichtwellenleiter 34 übertragen wird. Letztlich kann der optische Filter 110 den Bereich der optischen Wellenlängen eingrenzen, welche die optoelektronische Schaltung 90 zum Auslösen des Sprengzünders 48 erreichen können. Somit kann der optische Filter 110 zusätzlich zum Schutz vor einer versehentlichen Detonation in dem Auslösesystem beitragen.
Es ist bemerkenswert, dass der Laserzündkopf 38 aus 3A beispielsweise dazu konfiguriert sein kann, eine ähnliche Filterung optischer Signale auf der Grundlage der optischen Wellenlänge, jedoch ohne die Verwendung eines separaten optischen Filters (bspw. 110) durchzuführen. In solchen Ausführungsformen kann die innere Bandlücke des Halbleiters, aus dem sich ein oder mehrere der Photodioden 92 zusammensetzen, als optischer Filter fungieren. Dies liegt daran, dass jede Halbleiterart ihre eigene Halbleiterbandlücke aufweisen kann, welche der Energie entspricht, die dafür erforderlich ist, ein Elektron von dem Valenzband in das Leitungsband anzuregen. Die Photonen im Licht enthalten Energie, die sich umgekehrt proportional zu der optischen Wellenlänge des Lichts verhält (bspw. ist kurzwelliges Licht energetischer als langwelliges Licht). Wenn die optische Wellenlänge des empfangenen optischen Signals 88 nicht kurz genug ist, um die Elektronen in der Photodiode 92 in das Leitungsband anzuregen, dann kann das optische Signal die Photodiode 92 nicht zünden. Daher kann die Photodiode 92, oder die Gruppe von Photodioden 92, mit einem eigenen inneren Quantenfilter versehen sein, um es zu ermöglichen, dass der Bohrlochperforator nur dann zündet, wenn sich das optische Signal 88 innerhalb eines gewünschten Bereichs optischer Wellenlängen befindet. Zum Beispiel kann eine 1300-Nanometer-Photodiode bei Detektion einfallenden Lichts bei 1300 Nanometern und 850 Nanometer einen elektrischen Strom erzeugen, jedoch nicht im Falle von Licht, das bei 1550 Nanometer einfällt.
3C zeigt eine Ausführungsform des Laserzündkopfs 38, der mit einem elektronischen Filter 130 anstelle des Widerstands 100 aus 3A versehen sein kann. Der elektronische Filter 130 kann jede beliebige wünschenswerte Filterart ausweisen, die zum Eingrenzen des Bereichs der Frequenzen der AC-Spannungsausgabe von der Photodiode 92, welcher den Spannungsvervielfacher 94 erreicht, verwendet wird. Beispielsweise kann der elektronische Filter 130 ein LC-Bandfilter zum Eingrenzen der AC-Spannungsfrequenzen auf einen verhältnismäßig engen Bereich sein. In anderen Ausführungsformen kann der elektronische Filter 130 entweder ein RC-Filter oder ein RL-Filter sein, konfiguriert zur Verwendung als Hochpass- oder Tiefpassfilter zum Eingrenzen der AC-Spannungsfrequenzen. Jede beliebige gewünschte Kombination aus diesen Filtern kann zum Ausbilden des elektronischen Filters 130 verwendet werden. Letztlich kann der elektronische Filter 130 den Bereich der Modulationsfrequenzen des modulierten optischen Signals 88 eingrenzen, welches den Sprengzünder 48 auslösen und den Bohrlochperforator zünden kann. Somit kann der elektronische Filter 130 zusätzlich zum Schutz vor einer versehentlichen Detonation in dem Auslösesystem beitragen.
Es ist bemerkenswert, dass manche Ausführungsformen des Laserzündkopfs 38 sowohl den offenbarten optischen Filter 110 aus 3B als auch den offenbarten elektronischen Filter 130 aus 3C beinhalten können. Solche Laserzündköpfe 38 können dazu konfiguriert sein, den Sprengzünder 48 nur dann zu aktivieren, wenn das von dem Lichtwellenleiter 34 empfangene optische Signal 88 in einem gewünschten optischen Wellenlängenbereich liegt und innerhalb eines gewünschten Modulationsfrequenzbereichs moduliert wird.
Mehrere Laserzündköpfe 38, die mit den oben beschriebenen Filtern ausgestattet sind, können gemeinsam verwendet werden, um verschiedene Bohrlochperforatoren wahlweise über optische Signale zu zünden, welche durch eine einzelne Lichtleitfaser in dem Lichtwellenleiter 34 übertragen werden. 4 ist eine schematische Repräsentation eines Perforationssystems 22 mit zwei Bohrlochperforatoren 24A und 24B mit zwei damit verbundenen Sprengzündern 48A und 48B und zwei damit verbundenen Laserzündköpfen 38A und 38B. Es ist bemerkenswert, dass andere Ausführungsformen des offenbarten Perforationssystems 22 eine größere Anzahl von Bohrlochperforatoren 24, Sprengzündern 48 und Laserzündköpfen 38 aufweisen können.
Jeder der Laserzündköpfe 38A und 38B kann kommunikativ an einen einzelnen Lichtwellenleiter 34 gekoppelt sein, der als ein Wellenleiter für Signale aus der optischen Quelle 36 fungiert. Es kann wünschenswert sein, die Bohrlochperforatoren 24A und 24B zu verschiedenen Zeitpunkten zu zünden. In gegenwärtig verwendeten Systemen, die Bohrlochperforatoren über elektrische Signale auslösen, beinhaltet das Perforationssystem im Allgemeinen Schalter, um die Zündung zusätzlicher Bohrlochperforatoren auszulösen. Sprich, wenn ein Bohrlochperforator zündet, so legt dies im Allgemeinen einen Schalter um, sodass ein anderer Perforator ausgelöst werden kann. Typischerweise werden diese Bohrlochperforatoren alle gleichzeitig gezündet.
In vorliegend offenbarten Ausführungsformen kann der Laserzündkopf 38 ein wahlweises Auslösen verschiedener Bohrlochperforatoren 24 ermöglichen, die sich überall in einem einzelnen Perforationssystem 22 befinden. Zumindest zwei Verfahren können zum Multiplexieren der Laserzündköpfe 38 verwendet werden, sodass die mehreren Laserzündköpfe 38 durch den gleichen Lichtwellenleiter 34 aktiviert werden können.
Zunächst können die Laserzündköpfe 38 durch ein Übertragen verschiedener Wellenlängen optischer Signale durch den Lichtwellenleiter 34 aktiviert werden. Einer oder mehrere von den Laserzündköpfen 38A und 38B können mit optischen Bandfiltern (bspw. 110 aus 3B) ausgestattet sein, um den Laserzündkopf 38 wahlweise auszulösen, wenn das optische Signal eine gewünschte optische Wellenlänge aufweist. Die Laserzündköpfe 38A und 38B können optische Filter aufweisen, die keine überlappenden Wellenlängenbereiche haben, sodass nur einer der Laserzündköpfe 38 zum Auslösen des entsprechenden Sprengzünders 48 und Bohrlochperforators 24 zu einem Zeitpunkt verwendet werden kann.
Zusätzlich zu oder anstelle von einem optischen Wellenlängenmultiplexieren können die Laserzündköpfe 38 durch ein Modulieren der optischen Signale bei verschiedenen Frequenzen durch den Lichtwellenleiter 34 wahlweise aktiviert werden. Einer oder mehrere von den Laserzündköpfen 38A und 38B können mit elektronischen Filtern (bspw. 130 aus 3C) ausgestattet sein, um den Laserzündkopf 38 wahlweise auszulösen, wenn das optische Signal bei einer gewünschten Frequenz moduliert ist. Die Laserzündköpfe 38A und 38B können elektronische Filter aufweisen, die keine überlappenden Frequenzbereiche haben, sodass nur einer der Laserzündköpfe 38 zum Auslösen des entsprechenden Sprengzünders 48 und Bohrlochperforators 24 zu einem Zeitpunkt verwendet werden kann.
Hier offenbarte Ausführungsformen beinhalten:

A. Ein System, beinhaltend einen Bohrlochperforator zum Perforieren einer unterirdischen Formation, einen Sprengzünder zum Zünden des Bohrlochperforators, eine optische Quelle zum Ausgeben eines optischen Signals, einen Lichtwellenleiter, der zum Übertragen der optischen Signalausgabe von der optischen Quelle kommunikativ an die optische Quelle gekoppelt ist, und einen Laserzündkopf. Der Laserzündkopf ist mit einer optoelektronischen Schaltung zum Empfangen des optischen Signals von dem Lichtwellenleiter und Auslösen des Sprengzünders zum Zünden des Bohrlochperforators als Reaktion darauf, dass das optische Signal während einer vorgegebenen Zeitspanne an dem Laserzündkopf empfangen wird, versehen.
B. Einen Laserzündkopf zum Auslösen eines Sprengzünders zum Zünden eines Bohrlochperforators. Der Laserzündkopf ist mit einer Photodiode zum Detektieren eines optischen Signals von einem Lichtwellenleiter, der an den Laserzündkopf gekoppelt ist, und zum Ausgeben einer Spannung als Reaktion auf das detektierte optische Signal versehen. Der Laserzündkopf ist zudem mit einem an die Photodiode gekoppelten Spannungsvervielfacher versehen, um zumindest einen Teil der von der Photodiode ausgegebenen Spannung zu empfangen und eine verstärkte DC-Spannung zum Aufladen eines Kondensators auszugeben. Der Laserzündkopf ist ferner mit einem an den Kondensator gekoppelten Schalter versehen, um dem Sprengzünder elektrische Energie von dem Kondensator zuzuführen, um den Bohrlochperforator zu zünden, wenn die Ladung über den Kondensator hinweg einen Schwellenwert erreicht.
C. Ein Verfahren, welches ein Ausgeben eines optischen Signals aus einer optische Quelle durch einen Lichtwellenleiter beinhaltet, welcher sich in ein Bohrloch erstreckt und eine Photodiode eines Laserzündkopfs erleuchtet, der an einen Bohrlochperforator gekoppelt ist, welcher in dem Bohrloch angeordnet ist, über das durch den Lichtwellenleiter übertragene optische Signal. Das Verfahren beinhaltet zudem ein Verstärken einer Spannungsausgabe von der Photodiode über einen Spannungsvervielfacher des Laserzündkopfs, um einen Kondensator aufzuladen, welcher in dem Laserzündkopf angeordnet ist, ein Zuführen gespeicherter elektrischer Energie von dem Kondensator zu einem Sprengzünder, wenn die Ladung über den Kondensator hinweg einen Schwellenwert erreicht, und ein Zünden des Bohrlochperforators über den Sprengzünder als Reaktion darauf, dass der Sprengzünder die gespeicherte elektrische Energie von dem Kondensator empfängt.

Jede der Ausführungsformen A, B und C kann eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Elemente in Kombination aufweisen. Element 1: wobei das optische Signal ein moduliertes optisches Signal ist. Element 2: wobei das optische Signal ein moduliertes kontinuierliches wellenoptisches Signal ist. Element 3: wobei die optoelektronische Schaltung in dem Laserzündkopf versehen ist mit: einer Photodiode zum Detektieren des optischen Signals von dem Lichtwellenleiter und Ausgeben einer AC-Spannung als Reaktion auf das detektierte optische Signal; einem an die Photodiode gekoppelten Spannungsvervielfacher zum Empfangen der AC-Spannungsausgabe von der Photodiode und Ausgeben einer verstärkten DC-Spannung zum Aufladen eines Kondensators; und einem an den Kondensator gekoppelten Schalter zum Zuführen elektrischer Energie von dem Kondensator zu dem Sprengzünder, um den Bohrlochperforator zu zünden, wenn die Ladung über den Kondensator hinweg einen Schwellenwert erreicht. Element 4: ferner beinhaltend ein Wireline-Werkzeug, das an einer Wireline angeordnet ist, wobei das Wireline-Werkzeug mit dem Laserzündkopf und dem Bohrlochperforator versehen ist und wobei die Wireline mit dem Lichtwellenleiter versehen ist. Element 5: ferner beinhaltend einen an den Bohrlochperforator gekoppelten rohrförmigen Strang zum Absenken des Bohrlochperforators und des Laserzündkopfs in eine vorgegebene Tiefe eines Bohrlochs. Element 6: ferner beinhaltend eine Vielzahl von Bohrlochperforatoren und eine Vielzahl damit verbundener Laserzündköpfe, die an verschiedenen Punkten entlang des Lichtwellenleiters angeordnet sind, um wahlweise einen oder mehrere aus der Vielzahl von Bohrlochperforatoren auf der Grundlage des optischen Signals, welches durch den Lichtwellenleiter übertragen wird, zu betätigen. Element 7: wobei jeder aus der Vielzahl von Laserzündköpfen mit einem optischen Filter versehen ist, der zwischen dem Lichtwellenleiter und der entsprechenden optoelektronischen Schaltung angeordnet ist, um einen Bereich optischer Wellenlängen des optischen Signals, welche die optoelektronische Schaltung erreichen, einzugrenzen. Element 8: wobei jeder aus der Vielzahl von Laserzündköpfen mit einem elektronischen Filter versehen ist, welcher in der optoelektronischen Schaltung angeordnet ist, um einen Bereich von Modulationsfrequenzen des optischen Signals einzugrenzen, welches den entsprechenden Sprengzünder dazu auslöst, den entsprechenden Bohrlochperforator zu zünden. Element 9: wobei der Bohrlochperforator eine zerstörbare Komponente ist und wobei der Laserzündkopf von dem Bohrlochperforator entfernbar ist, um mit einem anderen Bohrlochperforator verwendet zu werden.
Element 10: wobei der Laserzündkopf keine Leistungsversorgung aufweist. Element 11: wobei der Laserzündkopf wahlweise von dem Bohrlochperforator entfernbar und mit anderen Bohrlochperforatoren wiederverwendbar ist. Element 12: ferner beinhaltend einen DC/AC-Wandler, welcher zwischen der Photodiode und dem Spannungsvervielfacher angeordnet ist, um eine DC-Spannungsausgabe von der Photodiode in AC-Spannung zum Versorgen des Spannungsvervielfachers umzuwandeln. Element 13: ferner beinhaltend einen optischen Filter, der zwischen dem Lichtwellenleiter und der Photodiode angeordnet ist, um einen Bereich optischer Wellenlängen des optischen Signals, welche die Photodiode erreichen, einzugrenzen. Element 14: ferner beinhaltend einen elektronischen Filter, der zwischen der Photodiode und dem Spannungsvervielfacher angeordnet ist, um einen Bereich von Modulationsfrequenzen eines modulierten optischen Signals, welche den Spannungsvervielfacher erreichen, einzugrenzen.
Element 15: ferner beinhaltend ein Filtern des optischen Signals, sodass ein eingegrenzter Bereich optischer Wellenlängen die Photodiode erleuchtet. Element 16: ferner beinhaltend ein Filtern der Spannungsausgabe von der Photodiode, sodass ein eingegrenzter Bereich von Modulationsfrequenzen der Spannung den Spannungsvervielfacher erreicht. Element 17: ferner beinhaltend: Ausgeben eines ersten optischen Signals aus der optischen Quelle durch den Lichtwellenleiter; Auslösen eines ersten Sprengzünders, um einen ersten Bohrlochperforator über einen ersten an dem Lichtwellenleiter angeordneten Laserzündkopf als Reaktion darauf zu zünden, dass das erste optische Signal während eines vorgegebenen Zeitraums durch den Lichtwellenleiter übertragen wird; Ausgeben eines zweiten optischen Signals aus der optischen Quelle durch den Lichtwellenleiter; und Auslösen eines zweiten Sprengzünders, um einen zweiten Bohrlochperforator über einen zweiten an dem Lichtwellenleiter angeordneten Laserzündkopf als Reaktion darauf zu zünden, dass das zweite optische Signal während eines vorgegebenen Zeitraums durch den Lichtwellenleiter übertragen wird. Element 18: ferner beinhaltend: Entfernen des Laserzündkopfs von dem Bohrlochperforator nach dem Zünden des Bohrlochperforators; und Wiederverwenden des Laserzündkopfs, um eine Detonation in einem anderen Bohrlochperforator auszulösen.
Zwar wurden die vorliegende Offenbarung und ihre Vorteile detailliert beschrieben, doch versteht es sich, dass unterschiedliche Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen hierin vorgenommen werden können, ohne von Geist und Schutzumfang der wie durch die Patentansprüche definierten Offenbarung abzuweichen.

Claims

System, umfassend: einen Bohrlochperforator zum Perforieren einer unterirdischen Formation; einen Sprengzünder zum Zünden des Bohrlochperforators; eine optische Quelle zum Ausgeben eines optischen Signals; einen Lichtwellenleiter, welcher kommunikativ an die optische Quelle gekoppelt ist, zum Übertragen des von der optischen Quelle ausgegebenen optischen Signals; und einen Laserzündkopf, welcher eine optoelektronische Schaltung zum Empfangen des optischen Signals von dem Lichtwellenleiter und Auslösen des Sprengzünders zum Zünden des Bohrlochperforators als Reaktion darauf, dass das optische Signal während einer vorgegebenen Zeitspanne an dem Laserzündkopf empfangen wird, umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei das optische Signal ein moduliertes optisches Signal ist.
System nach Anspruch 1, wobei das optische Signal ein kontinuierliches wellenoptisches Signal ist.
System nach Anspruch 1, wobei die optoelektronische Schaltung in dem Laserzündkopf umfasst: eine Photodiode zum Detektieren des optischen Signals von dem Lichtwellenleiter und Ausgeben einer AC-Spannung als Reaktion auf das detektierte optische Signal; einen an die Photodiode gekoppelten Spannungsvervielfacher zum Empfangen der AC-Spannungsausgabe von der Photodiode und Ausgeben einer verstärkten DC-Spannung zum Aufladen eines Kondensators; und einen an den Kondensator gekoppelten Schalter zum Zuführen elektrischer Energie von dem Kondensator zu dem Sprengzünder, um den Bohrlochperforator zu zünden, wenn die Ladung über den Kondensator hinweg einen Schwellenwert erreicht.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Wireline-Werkzeug, das an einer Wireline angeordnet ist, wobei das Wireline-Werkzeug den Laserzündkopf und den Bohrlochperforator umfasst und wobei die Wireline den Lichtwellenleiter umfasst.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen an den Bohrlochperforator gekoppelten rohrförmigen Strang zum Absenken des Bohrlochperforators und des Laserzündkopfs in eine vorgegebene Tiefe eines Bohrlochs.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Bohrlochperforatoren und eine Vielzahl damit verbundener Laserzündköpfe, die an verschiedenen Punkten entlang des Lichtwellenleiters angeordnet sind, um wahlweise einen oder mehrere aus der Vielzahl von Bohrlochperforatoren auf der Grundlage des optischen Signals, welches durch den Lichtwellenleiter übertragen wird, zu betätigen.
System nach Anspruch 7, wobei jeder aus der Vielzahl von Laserzündköpfen einen optischen Filter umfasst, der zwischen dem Lichtwellenleiter und der entsprechenden optoelektronischen Schaltung angeordnet ist, um einen Bereich optischer Wellenlängen des optischen Signals, welche die optoelektronische Schaltung erreichen, einzugrenzen.
System nach Anspruch 7, wobei jeder aus der Vielzahl von Laserzündköpfen einen elektronischen Filter umfasst, welcher in der optoelektronischen Schaltung angeordnet ist, um einen Bereich von Modulationsfrequenzen des optischen Signals einzugrenzen, welches den entsprechenden Sprengzünder dazu auslöst, den entsprechenden Bohrlochperforator zu zünden.
System nach Anspruch 1, wobei der Bohrlochperforator eine zerstörbare Komponente ist und wobei der Laserzündkopf von dem Bohrlochperforator entfernbar ist, um mit einem anderen Bohrlochperforator verwendet zu werden.
Laserzündkopf zum Auslösen eines Sprengzünders zum Zünden eines Bohrlochperforators, wobei der Laserzündkopf umfasst: ine Photodiode zum Detektieren eines optischen Signals von einem Lichtwellenleiter, das an den Laserzündkopf gekoppelt ist, und zum Ausgeben einer Spannung als Reaktion auf das detektierte optische Signal; einen an die Photodiode gekoppelten Spannungsvervielfacher zum Empfangen zumindest eines Teils der Spannungsausgabe von der Photodiode und Ausgeben einer verstärkten DC-Spannung zum Aufladen eines Kondensators; und einen an den Kondensator gekoppelten Schalter zum Zuführen elektrischer Energie von dem Kondensator zu dem Sprengzünder, um den Bohrlochperforator zu zünden, wenn die Ladung über den Kondensator hinweg einen Schwellenwert erreicht.
System nach Anspruch 11, wobei der Laserzündkopf wahlweise von dem Bohrlochperforator entfernbar und mit anderen Bohrlochperforatoren wiederverwendbar ist.
System nach Anspruch 11, ferner umfassend einen DC/AC-Wandler, welcher zwischen der Photodiode und dem Spannungsvervielfacher angeordnet ist, um eine DC-Spannungsausgabe von der Photodiode in AC-Spannung zum Versorgen des Spannungsvervielfachers umzuwandeln.
System nach Anspruch 11, ferner umfassend einen optischen Filter, der zwischen dem Lichtwellenleiter und der Photodiode angeordnet ist, um einen Bereich optischer Wellenlängen des optischen Signals, welche die Photodiode erreichen, einzugrenzen.
System nach Anspruch 11, ferner umfassend einen elektronischen Filter, der zwischen der Photodiode und dem Spannungsvervielfacher angeordnet ist, um einen Bereich von Modulationsfrequenzen eines modulierten optischen Signals, welche den Spannungsvervielfacher erreichen, einzugrenzen.
Verfahren, umfassend: Ausgeben eines optischen Signals aus einer optischen Quelle durch einen Lichtwellenleiter, welcher sich in ein Bohrloch erstreckt; Erleuchten einer Photodiode eines Laserzündkopfs, der an einen Bohrlochperforator gekoppelt ist, welcher in dem Bohrloch angeordnet ist, über das durch den Lichtwellenleiter übertragene optische Signal; Verstärken einer Spannungsausgabe von der Photodiode über einen Spannungsvervielfacher des Laserzündkopfs, um einen in dem Laserzündkopf angeordneten Kondensator aufzuladen; Zuführen gespeicherter elektrischer Energie von dem Kondensator zu einem Sprengzünder, wenn die Ladung über den Kondensator hinweg einen Schwellenwert erreicht; und Zünden des Bohrlochperforators über den Sprengzünder als Reaktion darauf, dass der Sprengzünder die gespeicherte elektrische Energie von dem Kondensator empfängt.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend ein Filtern des optischen Signals, sodass ein eingegrenzter Bereich optischer Wellenlängen die Photodiode erleuchtet.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend ein Filtern der Spannungsausgabe von der Photodiode, sodass ein eingegrenzter Bereich von Modulationsfrequenzen der Spannung den Spannungsvervielfacher erreicht.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Ausgeben eines ersten optischen Signals aus der optischen Quelle durch den Lichtwellenleiter; Auslösen eines ersten Sprengzünders, um einen ersten Bohrlochperforator über einen ersten an dem Lichtwellenleiter angeordneten Laserzündkopf als Reaktion darauf zu zünden, dass das erste optische Signal über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg durch den Lichtwellenleiter übertragen wird; Ausgeben eines zweiten optischen Signals aus der optischen Quelle durch den Lichtwellenleiter; und Auslösen eines zweiten Sprengzünders, um einen zweiten Bohrlochperforator über einen zweiten an dem Lichtwellenleiter angeordneten Laserzündkopf als Reaktion darauf zu zünden, dass das zweite optische Signal über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg durch den Lichtwellenleiter übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Entfernen des Laserzündkopfs von dem Bohrlochperforator nach dem Zünden des Bohrlochperforators; und Wiederverwenden des Laserzündkopfs, um eine Detonation in einem anderen Bohrlochperforator auszulösen.