DE19807386A1 - Blasting perforation device for boreholes - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Perforation von Wänden von Bohrlöchern insbesondere von Bohrlöchern, die zur Öl- oder Gasförderung genutzt werden.The invention relates to a device for perforating walls of boreholes in particular of boreholes that are used for oil or gas production.
Zum Abbau von Ölvorkommen, die zum Beispiel unterhalb des Meeresbodens vor handen sind, werden zunächst stirnseitig verschweißte Stahlrohre von der Wasser oberfläche bis auf den Meeresboden herabgelassen. Anschließend wird ein Loch in den Meeresboden vorgetrieben, wobei die Stahlrohre weiter vorgeschoben werden. Derartige Bohrlöcher können bis zu 4000 m tief sein. Um die Ölvorräte ausbeuten zu können, muß die Stahlwand des Rohres in Höhe der Ölschichten perforiert werden, so daß das Öl in das Rohr gelangt und an die Oberfläche gefördert werden kann.For the extraction of oil deposits, for example below the ocean floor are first welded steel pipes from the water surface lowered down to the ocean floor. Then a hole is made in propelled the seabed, with the steel pipes being advanced further. Such boreholes can be up to 4000 m deep. To exploit the oil reserves too can, the steel wall of the pipe must be perforated at the level of the oil layers, so that the oil gets into the pipe and can be pumped to the surface.
Bohrlöcher zur Ölförderung verlaufen üblicherweise durch mehrere vertikal auseinan derliegende ölführende Schichten. Um wirtschaftlich zu arbeiten, werden alle Bereiche des Bohrloches, die im Bereich dieser ölführenden Schichten liegen, perforiert. Da das Herablassen der Sprengladungen bis zu den gewünschten Perforationstiefen ein langwieriger Prozeß ist, ist es üblich, mehrere an einer oder mehreren Zündleitungen angebrachte Zündstufen, die jeweils einen Zünder mit den dazugehörigen Sprengla dungen aufweisen, zu verwenden.Drill holes for oil production usually run vertically apart through several the underlying oil-bearing layers. To work economically, all areas of the borehole, which are in the area of these oil-bearing layers, perforated. There lowering the explosive charges to the desired depth of perforation lengthy process, it is common to have multiple on one or more ignition leads attached ignition levels, each one detonator with the associated Sprengla have to use.
Um sicherzustellen, daß bei Aktivierung einer Zündstufe die darüber angeordneten Zündstufen oder ein außerhalb des Bohrloches befindliches Zündgerät nicht durch Störsignale auf der Zündleitung beschädigt werden, muß die aktivierte Zündstufe vor der Detonation der jeweiligen Sprengladungen von der Zündleitung getrennt werden. Die bekannten Systeme arbeiten mit mechanischen Schaltern zur Trennung der ein zelnen Zündstufen. Problematisch bei diesen Systemen ist, daß es zu Kurzschlüssen oder undefinierten Zuständen kommen kann, was erfordert, daß die Sprengung abge brochen wird und die Zündstufe wieder aus dem Bohrloch herausgezogen werden müssen.To ensure that when an ignition level is activated, the ones arranged above it Ignition levels or an ignitor located outside the borehole Interference signals on the ignition cable are damaged, the activated ignition stage must be activated the detonation of the respective explosive charges are separated from the ignition line. The known systems work with mechanical switches to separate the one individual ignition levels. The problem with these systems is that there are short circuits or undefined conditions can occur, which requires that the detonation be abge is broken and the ignition stage is pulled out of the borehole again have to.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sprengperforationsvorrichtung mit verbesserter Aktivierung und elektrischer Trennung der einzelnen Zündstufen zu schaffen.The invention has for its object to provide an explosive perforation device improved activation and electrical isolation of the individual ignition levels create.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 5 gelöst.This object is achieved with the features of claim 1 or Claim 5 solved.
Die erfindungsgemäße Sprengperforationsvorrichtung der ersten Variante (Anspruch 1) weist mehrere hintereinander angeordnete Perforationsstufen auf, die elektrisch hintereinander an eine Zündleitung angeschlossen sind. Jede Perforationsstufe ent hält einen adressierbaren Schalter, der jeweils durch eine Signalkombination auf der Zündleitung selektiv aktivierbar ist. Im Ruhezustand schaltet der Schalter die Zündlei tung zur nächsten Perforationsstufe durch. Es wird nur eine zweipolige Zündleitung verwendet, in der die Schalter angeordnet sind. Eine Zündsteuereinheit, die die ein zelnen Perforationsladungen einer Perforationsstufe aktiviert, ist in dem Ruhezustand des Schalters von der Zündleitung getrennt. In der Arbeitsstellung des Schalters ist die Zündsteuereinrichtung mit der Zündleitung verbunden, während die Zündleitung zu der nächst tieferen Perforationsstufe unterbrochen ist.The explosive perforation device according to the first variant (claim 1) has several perforation stages arranged one behind the other, which are electrical are connected in series to an ignition line. Ent perforation level ent holds an addressable switch, each by a signal combination on the Ignition cable can be activated selectively. In the idle state, the switch switches the Zündlei to the next perforation level. It only becomes a two-pole ignition cable used in which the switches are arranged. An ignition control unit, the one individual perforation charges of a perforation level activated is in the idle state the switch from the ignition cable. In the working position of the switch the ignition control device is connected to the ignition line while the ignition line interrupted to the next lower perforation level.
Die erfindungsgemäße Sprengperforationsvorrichtung hat den Vorteil, daß in Ruhe stellung der Schalter die nachgeschaltete Zünderelektronik der Perforationsstufen von der Zündleitung galvanisch abgetrennt ist. Erst bei durch Programmierung aktiviertem Schalter einer Perforationsstufe wird die Elektronik dieser adressierten Perforations stufe mit der Zündleitung verbunden, so daß die Zündsteuereinrichtung der Perforati onsstufe aktiviert ist. Nach Aktivieren der Zündsteuereinrichtung muß diese mit spe ziellen digitalen Signalen programmiert werden, um die Perforationsladungen dieser Perforationsstufe ansprechen und zünden zu können. Empfängt die Zündsteuerein richtung Signale, die nicht die Spezifikation treffen, muß die Zündsteuereinrichtung zurückgesetzt werden, indem die Spannungsversorgung für 20 Sekunden unterbro chen wird. Durch diese doppelte Adressierung ist eine Fehlzündung sehr unwahr scheinlich. The explosive perforation device according to the invention has the advantage that at rest position of the switches the downstream detonator electronics of the perforation stages of the ignition cable is galvanically isolated. Only when activated by programming The switch of a perforation level becomes the electronics of this addressed perforation stage connected to the ignition line, so that the ignition control device of the perforati level is activated. After activating the ignition control device, this must be saved Certain digital signals are programmed to the perforation charges of this To be able to address and ignite the perforation level. Receives the ignition control Direction Signals that do not meet the specification must the ignition control device reset by interrupting the power supply for 20 seconds will. This double addressing makes a misfire very untrue apparently.
Die Zündsteuereinrichtung kann derart programmiert werden, daß die Perforationsla dungen der betreffenden Perforationsstufe erst nach einer einstellbaren Verzöge rungszeit detonieren. Dies ermöglicht es, die unterste Perforationsstufe zu program mieren und innerhalb der Verzögerungszeit den Schalter der nächst höheren Perfora tionsstufe zu aktivieren, so daß die unterste Perforationsstufe von der Zündleitung abgetrennt ist, um zu verhindern, daß die nächst höhere Perforationsstufe oder das Zündgerät durch bei Detonation der Perforationsladungen entstehende Störungen auf der Zündleitung beschädigt wird.The ignition control device can be programmed in such a way that the perforation length of the relevant perforation level only after an adjustable delay detonation time. This makes it possible to program the lowest perforation level and within the delay time the switch of the next higher perfora tion level to activate, so that the lowest perforation level from the ignition wire is separated to prevent the next higher perforation level or the Ignitor due to disturbances arising from the detonation of the perforation charges the ignition cable is damaged.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung enthält jeder Schalter eine individuelle Adresse. Bei Erhalt dieser Adresse geht dieser Schalter in die Arbeitsstellung über. Vorteilhafterweise besteht die Adresse des Schalters aus acht Stellen. Diese Adresse wird seriell auf der Zündleitung übertragen und in einem Schieberegister des Schal ters abgelegt. Durch diese Adressierung des Schalters wird die Sicherheit der Sprengperforationsrichtung erhöht, da jeder Schalter selektiv ansprechbar ist und eventuelle Störimpulse auf der Zündleitung nicht zu einer Aktivierung des Schalters führen.In a preferred embodiment of the invention, each switch contains an individual one Address. When this address is received, this switch changes to the working position. The address of the switch advantageously consists of eight digits. This address is transmitted serially on the ignition line and in a shift register of the scarf ters filed. By addressing the switch, the security of the Blast perforation direction increased because each switch is selectively addressable and possible interference pulses on the ignition line do not activate the switch to lead.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform wird die Aufgabe mit den Merkma len des Anspruchs 5 gelöst.In an alternative preferred embodiment, the task with the characteristics len of claim 5 solved.
Bei dieser Ausführungsform sind die Perforationsstufen elektrisch hintereinander an die Zündleitung angeschlossen, und jede Perforationsstufe weist einen elektronischen Schalter mit drei Schaltstellungen auf, wobei die Schalter im Ruhezustand geöffnet sind und durch eine von zwei möglichen Signalkombinationen auf der Zündleitung in die der jeweiligen Signalkombination entsprechende Stellung gebracht werden. An sonsten ist diese alternative Ausführungsform mit der Ausführungsform gemäß An spruch 1 identisch.In this embodiment, the perforation levels are electrically one behind the other the ignition wire is connected, and each perforation stage has an electronic one Switch with three switch positions, with the switch open in idle state are and by one of two possible signal combinations on the ignition wire in the position corresponding to the respective signal combination. On otherwise, this alternative embodiment with the embodiment according to An saying 1 identical.
Dies bedeutet eine Anordnung von gleichen, hintereinander angeordneten elektroni schen Schaltern, die mit einer bestimmten Signalkombination auf der Zündleitung von der Ruhestellung in die Position gebracht werden, in der der nächste Schalter mit der Zündleitung verbunden wird und die mit einer bestimmten anderen Signalkombination auf der Zündleitung von der Ruhestellung in die Position gebracht werden, in der die Zündsteuereinrichtung mit der Zündleitung verbunden wird, wobei eine einmal gewähl te Schalterstellung arretiert und während eines Schaltzyklusses beibehalten wird und wobei die Schalter nach Abschalten der elektrischen Stromversorgung automatisch, nach einer kurzen Wartezeit, in die Ruhestellung zurückkehren.This means an arrangement of the same electronics arranged one behind the other switches with a certain signal combination on the ignition wire from the rest position in the position in which the next switch with the Ignition wire is connected and with a certain other signal combination on the ignition line from the rest position to the position in which the Ignition control device is connected to the ignition line, one being selected once te switch position locked and maintained during a switching cycle and the switches automatically after switching off the electrical power supply, after a short wait, return to the rest position.
Vorteilhafterweise kann die Zündsteuereinrichtung nur durch eine bestimmte Signal kombination auf der Zündleitung aktiviert werden.The ignition control device can advantageously only be operated by a specific signal combination can be activated on the ignition cable.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Signalkombination auf der Zündleitung acht oder mehr Stellen auf, wobei diese Signalkombination mit einer in einem Schieberegister des elektronischen Schalters abgelegten Signalkombination verglichen wird.In a further preferred embodiment, the signal combination has the Ignition lead eight or more places, this signal combination with an in a shift register of the electronic switch stored signal combination is compared.
Weiterhin besteht bevorzugt die Signalkombination auf der Zündleitung aus einer bestimmten Anzahl von Impulsen innerhalb eines definierten Zeitfensters, wobei die Signalkombination mit der in der Schalterelektronik abgelegten verglichen wird.Furthermore, the signal combination on the ignition line preferably consists of a certain number of pulses within a defined time window, the Signal combination is compared with that stored in the switch electronics.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zei gen:The invention is described in more detail below with reference to the drawings. It shows gene:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Bohrloch, Fig. 1 shows a section through a borehole,
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Sprengperforationsvorrichtung, und Fig. 2 shows the basic structure of an explosive perforation device, and
Fig. 3 den zeitlichen Ablauf einer Bohrlochperforation. Fig. 3 shows the chronological sequence of a hole perforation.
In Fig. 1 ist ein zur Ölförderung bestimmtes Bohrloch 1 gezeigt, das mit einem Stahl rohr 2 ausgekleidet ist. Das Bohrloch 1 verläuft durch Wasser 3 und durch darunter liegende Bodenschichten. Ölführende Schichten 4 und Erdreich 5 wechseln sich ab. Eine Sprengperforationsvorrichtung 10 hängt an einer Zündleitung in dem Bohrloch 1. Die Sprengperforationsvorrichtung 10 weist eine obere Perforationsstufe 12 und eine untere Perforationsstufe 13 auf. Die untere Perforationsstufe 13 ist bereits detoniert und hat die Bohrlochwand 2 perforiert, so daß das Öl aus der ölführenden Schicht 4 in das Bohrloch 1 gelangt und von dort gefördert werden kann.In Fig. 1, a hole for oil production 1 is shown, which is lined with a steel tube 2 . The borehole 1 runs through water 3 and through underlying layers of soil. Oil-bearing layers 4 and soil 5 alternate. An explosive perforation device 10 hangs on an ignition line in the borehole 1 . The explosive perforation device 10 has an upper perforation step 12 and a lower perforation step 13 . The lower perforation step 13 has already detonated and has perforated the borehole wall 2 , so that the oil from the oil-bearing layer 4 can enter the borehole 1 and can be conveyed from there.
Fig. 2 zeigt die Sprengperforationsvorrichtung 10 mit den beiden Perforationsstufen 12 und 13. Jede Perforationsstufe weist einen in der Zündleitung 11 angeordneten elektronischen Schalter 14 auf, der in seiner Ruhestellung die Zündleitung 11 zu der nächst tieferen Perforationsstufe durchverbindet. In der Arbeitsstellung trennt der Schalter 14 die Zündleitung 11 auf und verbindet das obere Ende der Zündleitung 11 mit einer Zündsteuereinrichtung 15. An diese sind Perforationsladungen 16 radial an geschlossen, die umfänglich und übereinander verteilt sind. Die Perforationsladungen sind radial nach außen gerichtet wirkende Hohlladungen 16, die bei ihrer Zündung runde Löcher in den Stahlmantel des Rohres 2 sprengen, durch die anschließend das Öl in das Rohr 2 eindringen kann. Fig. 2 shows the Sprengperforationsvorrichtung 10 with the two Perforationsstufen 12 and 13. Each perforation stage has an electronic switch 14 arranged in the ignition line 11 , which in its rest position connects the ignition line 11 to the next lower perforation stage. In the working position, the switch 14 disconnects the ignition line 11 and connects the upper end of the ignition line 11 to an ignition control device 15 . At these perforation charges 16 are radially closed, which are distributed circumferentially and one above the other. The perforation charges are hollow charges 16 which act radially outwards and, when they are ignited, blow up round holes in the steel jacket of the tube 2 , through which the oil can then penetrate into the tube 2 .
Die Zündsteuereinrichtung 15 kann programmiert werden, so daß eine Verzögerungs zeit eingestellt wird. Empfängt die Zündsteuereinrichtung 15 daraufhin ein Zündsignal, so detonieren die Hohlladungen 16 erst nach Ablauf dieser Verzögerungszeit.The ignition control device 15 can be programmed so that a delay time is set. If the ignition control device 15 then receives an ignition signal, the shaped charges 16 only detonate after this delay time has elapsed.
Der Schalter 14 weist eine Steuerelektronik 17 und ein in Abhängigkeit von der Steue relektronik 17 betätigtes Schaltelement 18 auf. Wenn das Schaltelement 18 einmal betätigt wurde, verbleibt es in der Arbeitsstellung, auch wenn die Spannungsversor gung von der Zündleitung 11 weggenommen wird, z. B. wenn eine Zündsteuereinrich tung 15 nach Empfang eines fehlerhaften Signals zurückgesetzt werden muß.The switch 14 has control electronics 17 and a switching element 18 actuated as a function of the control electronics 17 . Once the switching element 18 has been actuated, it remains in the working position, even if the voltage supply is removed from the ignition line 11 , for. B. if an Zündsteuereinrich device 15 must be reset after receiving a faulty signal.
Anhand von Fig. 3 wird nun die Durchführung einer Bohrlochperforation erklärt. Zu nächst sind die Schalter 14 aller Perforationsstufen in Ruhestellung, so daß die Zündleitung 11 nur mit einem hier nicht dargestellten oberirdischen Zündgerät ver bunden ist, jedoch nicht mit einer der Zündsteuereinrichtungen 15. Nachdem die un terste Perforationsstufe 13 bis zu der Ölschicht 4 herabgelassen worden ist, in deren Bereich das Stahlrohr 2 des Bohrloches 1 perforiert werden soll, wird der Schalter 14 der untersten Perforationsstufe 13 mit einem spezifischen Adressignal AS1 adressiert (Zeitintervall T1).The implementation of a borehole perforation will now be explained with reference to FIG. 3. Next, the switches 14 of all perforation levels are in the rest position, so that the ignition line 11 is connected only to an above-ground igniter, not shown here, but not to one of the ignition control devices 15 . After the lowest perforation level 13 has been lowered to the oil layer 4 , in the area of which the steel tube 2 of the borehole 1 is to be perforated, the switch 14 of the lowest perforation level 13 is addressed with a specific address signal AS 1 (time interval T 1 ).
Das Adressignal AS wird auf der Zündleitung 11, die aus zwei Drähten besteht, seriell als 8 Bit-Signal von dem Zündgerät zu den Schaltern 14 übertragen. Die Elektronik 17 des Schalters 14 detektiert einen Bitwechsel des unipolaren Adressignals AS, wenn die Signalspannung einen Wert über- oder unterschreitet, der der Hälfte der normalen Signalamplitude entspricht. Die einzelnen Bits werden nacheinander in ein Schiebe register eingelesen, dessen Inhalt bei jedem Bitwechsel vorgeschoben wird. Nachdem 8 Bit eingelesen worden sind, wird der Inhalt des Schieberegisters ausgelesen und mit einer fest abgespeicherten dem jeweiligen Schalter 14 zugeordneten Adresse vergli chen. Sind die beiden Adressen identisch, wird in einem Zeitintervall T2 das Schalt element 18 des Schalters 14 aktiviert, so daß die Zündsteuereinrichtung 15 der un tersten Perforationsstufe 13 mit der Zündleitung 11 und damit mit dem Zündgerät ver bunden wird.The address signal AS is serially transmitted on the ignition line 11 , which consists of two wires, as an 8-bit signal from the ignition device to the switches 14 . The electronics 17 of the switch 14 detects a bit change in the unipolar address signal AS when the signal voltage exceeds or falls below a value which corresponds to half the normal signal amplitude. The individual bits are successively read into a shift register, the content of which is advanced with each bit change. After 8 bits have been read in, the content of the shift register is read out and compared with a permanently stored address assigned to the respective switch 14 . If the two addresses are identical, the switching element 18 of the switch 14 is activated in a time interval T 2 , so that the ignition control device 15 of the lowest perforation stage 13 is connected to the ignition line 11 and thus to the igniter.
In einem Zeitintervall T3 wird nun mit einem bipolaren Programmiersignal PS die Zündsteuereinrichtung 15 programmiert. Das Programmiersignal PS besteht aus ei nem ersten Teil, mit dem die Zündsteuereinrichtung 15 entsichert wird, und einem zweiten Teil, mit dem die Verzögerungszeit Tv programmiert wird. Nach Erhalt eines Zündimpulses wird die einprogrammierte frei wählbare Verzögerungszeit Tv aktiviert. Innerhalb dieser Verzögerungszeit Tv wird der Schalter 14 der nächst höheren Perfo rationsstufe 12 adressiert (T4), so daß in einem Intervall T5 die Zündleitung 11 durch Umlegen dieses Schalters aufgetrennt wird und mit der Zündsteuereinrichtung der Perforationsstufe 12 verbunden wird. Somit ist die unterste Perforationsstufe 13 kom plett von der Zündleitung 11 abgetrennt. In a time interval T 3 , the ignition control device 15 is now programmed with a bipolar programming signal PS. The programming signal PS consists of a first part, with which the ignition control device 15 is unlocked, and a second part, with which the delay time T v is programmed. After receiving an ignition pulse, the programmed, freely selectable delay time T v is activated. Within this delay time T v , the switch 14 is addressed to the next higher perforation stage 12 (T 4 ), so that the ignition line 11 is disconnected by flipping this switch in an interval T 5 and is connected to the ignition control device of the perforation stage 12 . Thus, the lowest perforation level 13 is completely separated from the ignition line 11 .
Die Verzögerungszeit Tv ist derart bemessen, daß innerhalb der Verzögerungszeit Tv der Schalter 14 der nächst höheren Perforationsstufe 12 mit einem Adressignal AS2, das sich von dem Adressignal AS1 unterscheidet, aktiviert werden kann und noch eine gewisse Sicherheitszeit, (z. B. die Hälfte des Zeitintervalls T6) vorhanden ist. Nach Ablauf der Verzögerungszeit Tv zündet die Zündsteuereinrichtung 15 sämtliche Hohl ladungen 16 der untersten Perforationsstufe 13. Nach einer gewissen Wartezeit (z. B. die zweite Hälfte des Intervalls T6) wird die Perforationsstufe 12, die nunmehr die un terste Perforationsstufe ist, bis zu der Höhe der nächsten ölführenden Schicht 4 ver fahren. Nun wiederholt sich der Ablauf ab dem Zeitpunkt t2.The delay time T v is dimensioned such that within the delay time T v the switch 14 of the next higher perforation stage 12 can be activated with an address signal AS 2 , which differs from the address signal AS 1 , and a certain safety time (e.g. half of the time interval T 6 ) is present. After the delay time T v, the ignition control device 15 ignites all hollow charges 16 of the lowest perforation stage 13 . After a certain waiting time (z. B. the second half of the interval T 6 ), the perforation level 12 , which is now the lowest perforation level, will move to the level of the next oil-bearing layer 4 . The sequence now repeats from time t 2 .
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Legal Events
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