DE19983586B4

DE19983586B4 - Zünden von Sprengeinrichtungen

Info

Publication number: DE19983586B4
Application number: DE19983586T
Authority: DE
Inventors: James Manvel Brooks; Nolan Stafford Lerche
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: AU2342300A; NO20011495L; GB2357825A; WO2000020820A2; NO20011496D0; DE19983580T1; DE19983586T1; WO2000022279A1; NO20011496L; GB2357826B; US6385031B1; GB2357825B; GB2357826A; NO20011495D0; GB0106928D0; AU2342700A; CA2345387C; CA2345387A1; GB0106931D0; NO321311B1

Abstract

Perforierkanone zur Verwendung in einem Bohrloch, umfassend:
mehrere geformte Ladungen;
mehrere Zünderkomponenten, die Brückentyp-Komponenten umfassen, die mit entsprechenden geformten Ladungen gekoppelt sind; und
ein elektrisches Kabel, das mit den mehreren Zünderkomponenten gekoppelt ist,
wobei jede Zünderkomponente eine Energiequelle enthält, die so beschaffen ist, daß sie durch eine Spannung auf dem elektrischen Kabel erregt werden kann, wobei die Energiequelle Energie für die Betätigung des Brückentyp-Zünders bereitstellt.

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft eine Perforierkanone, ein Verfahren zum Aktivieren eines Werkzeugs hierfür, eine Vorrichtung zum Aktivieren einer Sprengladung, ein Werkzeug für mehrere Sprengeinrichtungen, ein Verfahren, um Sprengeinrichtungen zur Detonation bringen zu können sowie eine Vorrichtung zum Aktivieren von Sprengeinrichtungen nach den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche.
Wenn ein Bohrloch komplettiert wird, werden verschiedene Typen von Anlagen und Vorrichtungen in das Bohrloch eingeführt. Beispielsweise kann eine Perforierkanonen-Kette in ein Bohrloch in die Umgebung einer Formation, die förderfähige Fluide enthält, abgesenkt werden. Die Perforierkette wird gezündet, um Öffnungen in dem umgebenden Futterrohr zu erzeugen sowie Perforationen in die Formation zu erstrecken, um die Förderung von Fluiden zu erreichen. Andere Komplettierungsvorrichtungen, die in ein Bohrloch eingeführt werden können, umfassen Packer, Ventile und andere Vorrichtungen.
Eine Zündschnur bildet einen Typ eines Zünders, der verwendet worden ist, um Sprengstoffe in Perforierkanonen sowie in anderen Vorrichtungen zur Detonation zu bringen. In einer Perforierkanone sind geformte Ladungen mit einer Zündschnur gekoppelt, die, wenn sie gezündet wird, die Zündung der geformten Ladungen hervorruft. Eine Zündschnur zündet mit einer bestimmten Geschwindigkeit (z. B. ungefähr 7 bis 8,5 Kilometer pro Sekunde). Im Ergebnis können aufeinanderfolgende geformte Ladungen mit einer typischen Verzögerung von ungefähr 5 bis 10 Mikrosekunden relativ zueinander je nach Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Ladungen zünden. Obwohl die Detonationswelle, die die Schnur abwärts läuft, verhältnismäßig schnell ist, ist eine gewisse Trennung zwischen Ladungen erforderlich, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, daß die Detonation einer Ladung mit der nachfolgenden Detonation einer benachbarten Ladung in Konflikt gerät. Der Trennabstand, der für eine geeignete Zündung der Ladungen erforderlich ist, beträgt gewöhnlich ungefähr einen Ladungsdurchmesser, obwohl diese Strecke in Abhängigkeit von der Anwendung unterschiedlich sein kann.
In einigen Anwendungen von Perforierkanonen können mehrere Ladungen in einer Ebene angeordnet sein, so daß das gleichzeitige Zünden von Ladungen in einer Ebene möglich ist. Eine bestimmte Trennung ist jedoch zwischen den Ladungsebenen noch immer erforderlich, um zu verhindern, daß Ladungen in einer Ebene mit dem Zünden von Ladungen in einer weiteren Ebene in Konflikt geraten. Das Schußtrennungs-Erfordernis verringert die Schußdichte einer Perforierkanone. Ein Erhöhen der Schußdichte einer Perforierkanone erhöht typischerweise die Rentabilität einer Bohrung. Die meisten modernen Perforierkanonen sind so beschaffen, daß sie die maximal mögliche Schußdichte innerhalb der Beschränkungen der Zündschnur ergeben. Die Zündschnur kann durch einen Aufschlagzünder oder einen elektrischen Zünder gezündet werden.
Ein weiterer Typ eines Zünders zum Aktivieren von Sprengeinrichtungen wie etwa geformte Ladungen umfaßt Explosionsfolienzünder (EFIs), die elektrisch aktiviert werden. Ein EFI enthält typischerweise eine Metallfolie, die mit einer Quelle für elektrischen Strom verbunden ist. In der Folie ist ein verjüngter Halsabschnitt mit einer sehr geringen Breite ausgebildet, wobei über einem Abschnitt der Folie einschließlich des Halsabschnitts eine Isolierschicht angeordnet ist. Wenn durch den Halsabschnitt der Folie ein hoher Strom geschickt wird, explodiert oder verdampft der Halsabschnitt. Dies bewirkt, daß ein kleiner Flugkörper von der Isolierschicht abgeschert wird und sich durch ein Barrel bewegt, um auf einem Sprengstoff aufzutreffen und eine Detonation auszulösen. Andere elektrisch aktivierte Zünder umfassen Zünder mit explodierendem Brückendraht (EBW), "blasenaktivierte" Explosionsfolienzünder und dergleichen.
Mit einer elektrischen Leitung können mehrere EFIs gekoppelt und sehr nahe bei den geformten Ladungen angeordnet sein. In der elektrischen Leitung kann ein Aktivierungsstrom erzeugt werden, um die mehreren EFIs zu aktivieren. Eine solche Anordnung ermöglicht das Zünden mehrerer Sprengladungen in Nanosekunden-Gleichzeitigkeit. In einem herkömmlichen EFI-System wird jedoch die elektrische Leistung durch eine Stromquelle bereitgestellt, die eine CMF-Stromquelle (Stromquelle mit komprimiertem Magnetfeld) umfaßt, die einen hohen Strom bereitstellen kann. Ein flexibles Flachkabel wird dazu verwendet, die verhältnismäßig hohe Leistung an die EFIs zu verteilen. Die Bereitstellung einer solchen verhältnismäßig hohen Leistung in einer Bohrlochumgebung könnte jedoch schwer zu erzielen sein.
In einer weiteren verteilten Architektur, in der eine niedrigere Leistung für die Aktivierung der Zünder verwendet wird, werden Halbleiterbrücken-Zünder (SCB-Zünder) verwendet. Die SCB-Zünder sind in entsprechenden geformten Ladungen enthalten, wobei zu jedem SCB-Zünder ein elektrischer Draht führt. Obwohl SCB-Zünder für bestimmte Zwecke nützlich sind, sind für bestimmte Anwendungen eher EFI- oder EBW-Zünder erwünscht. Beispielsweise erfordern die SCB-Zünder zwar weniger Leistung, sie sind jedoch im allgemeinen langsamer als typische EFI- oder EBW-Zünder. Daher könnte die gewünschte Gleichzeitigkeit der Detonation von Sprengladungen mit SCB-Zündern nicht erzielbar sein.
Somit besteht ein Bedarf an einer Zündvorrichtung einschließlich EFI-, EBW- oder anderen ähnlichen Zündern, die mit verringerter elektrischer Leistung aktiviert werden können, um Sprengeinrichtungen zu zünden.
Zusammenfassung
Im allgemeinen enthält ein Werkzeug gemäß einer Ausführungsform mehrere Sprengeinrichtungen und mehrere Zündereinrichtungen, wovon jede einen Brückentyp-Zünder enthält und so beschaffen ist, daß sie eine entsprechende Sprengeinrichtung zur Detonation bringt. Jede Zündereinrichtung enthält eine Energiequelle, ferner ist ein elektrisches Kabel so beschaffen, daß es die Energiequelle in jeder Zündereinrichtung mit Energie versorgt. Jede Energiequelle stellt Aktivierungsleistung für einen entsprechenden Zünder des Brückentyps bereit.
Weitere Merkmale und Ausführungsformen werden anhand der folgenden Beschreibung und der Ansprüche deutlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Perforierkanonen-Kette für die Verwendung in einem Bohrloch.
2A veranschaulicht eine Perforierkanone in der Perforierkanonen-Kette nach 1, die durch Kondensatorentladungseinheiten gemäß einer Ausführungsform aktivierbar ist.
2B veranschaulicht eine Ausführungsform einer Kondensatorentladungseinheit.
3 ist ein Schaltplan einer Schaltungsanordnung, die verwendet wird, um die Perforierkanone nach 1 gemäß einer Ausführungsform zu aktivieren.
Die 4 bis 12 veranschaulichen mehrere verschiedene Ausführungsformen von Abschnitten von Kondensatorentladungseinheiten.
Genaue Beschreibung
In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche Einzelheiten angegeben, um ein Verständnis der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Für die Fachleute ist jedoch selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung ohne diese Einzelheiten ausgeführt werden kann und daß zahlreiche Änderungen oder Abwand lungen von den beschriebenen Ausführungsformen möglich sind. Obwohl beispielsweise auf die Aktivierung von geformten Ladungen in Perforationskanonen-Ketten Bezug genommen wird, können Zündervorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen verwendet werden, um Sprengeinrichtungen oder Komponenten in anderen Typen von Werkzeugen oder Einrichtungen (z. B. im Bergbau oder in anderen Anwendungen) zu aktivieren. Außerdem können, obwohl auf bestimmte Spannungs- und Kapazitätswerte Bezug genommen wird, weitere Ausführungsformen niedrigere oder höhere Spannungs- bzw. Kapazitätswerte verwenden.
Hierbei werden in dieser Beschreibung die Ausdrücke "oben" und "unten"; "höher" und "niedriger"; "aufwärts" und "abwärts"; und ähnliche Ausdrücke, die relative Positionen über oder unter einem gegebenen Punkt oder Element angeben, verwendet, um einige Ausführungsformen der Erfindung deutlicher zu beschreiben. Wenn jedoch die Anlage und die Verfahren in Bohrlöchern angewendet werden, die gekrümmt oder horizontal sind, können sich diese Ausdrücke je nach Eignung auf eine Links/Rechts- oder Rechts/Links-Beziehung beziehen.
Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Bohrlochwerkzeug 10, das in einem Beispiel eine Perforierkanone 15 umfassen kann, durch eine Verrohrung 7, die in einem mit einem Futterrohr 9 ausgekleideten Bohrloch 8 positioniert ist, abgesenkt. Zwischen der Verrohrung 7 und dem Futterrohr 9 ist ein Packer 6 angeordnet, um den Verrohrungs-Futterraum-Ringraum zu isolieren. In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Erfindung wird ein Träger 12 verwendet, um das Bohrlochwerkzeug 10 zu tragen. Der Träger 12 kann elektrische Verbinder 13 wie etwa jene enthalten, die durch eine Drahtleitung oder einen Spiralschlauch geführt sind (im folgenden auch mit "Trägerkabel 13" bezeichnet). Alternativ könnte der Träger 12 eine Schlammleitung oder ein anderer Träger ohne elektrische Verbinder sein. Falls der Träger 12 elektrische Verbinder 13 enthält, werden die Leistung und die Signale, die längs der elektrischen Verbinder nach unten geschickt werden, dazu verwendet, Signale für die Aktivierung von Sprengeinrichtungen 20 (die in einem Beispiel geformte Ladungen sein können) zu transportieren. Dies stellt einen Unterschied zu typischen Anordnungen dar, in denen eine Zündschnur befestigt ist, um die Sprengeinrichtungen zu aktivieren. Durch Verwenden elektrischer Signale in dem elektrischen Kabel 17 für die Aktivierung der Sprengeinrichtungen 20 ist eine im wesentlichen gleichzeitige Detonation der geformten Ladungen möglich. Falls der Träger 12 keine elektrischen Leiter umfaßt, kann die bohrlochseitige Leistung durch eine Batterie bereitgestellt werden, die in das Bohrloch mit einem Bohrlochwerkzeug 10 abgesenkt wird.
Um in Übereinstimmung mit bestimmten Ausführungsformen die sofortige Leistung und den sofortigen Strom, die im Kabel 17 benötigt werden, zu verringern, enthalten einige Ausführungsformen von Perforierkanonen-Werkzeugen geformte Ladungen, die jeweils mit einer verhältnismäßig kleinen integrierten Schaltung gekoppelt sind, die eine Zündereinrichtung wie etwa eine Kondensatorentladungseinrichtung (CDU) mit einer Energiequelle (wie etwa einem Auslösekondensator ("Slapper"-Kondensator)), einem Ableiterwiderstand, einem Schalter und einer EFI-Schaltung (Schaltung mit Explosionsfolienzünder) enthalten. Eine CDU kann als Teil der geformten Ladung ausgebildet sein oder an der Rückseite der geformten Ladung befestigt sein. Eine Reihe von CDUs, die entsprechenden geformten Ladungen zugeordnet sind, sind mit dem elektrischen Kabel 17 gekoppelt. Jeder Auslösekondensator wird durch das elektrische Kabel 17 "tropfenweise" auf eine verhältnismäßig hohe Spannung geladen und dann aufgrund eines Befehls durch ein Signal (das ein Signal mit verhältnismäßig niedriger Spannung sein kann), das durch das Kabel 17 nach unten geschickt wird, entladen. Dies hat eine nahezu gleichzeitige Detonation (z. B. innerhalb etwa 200 Nanosekunden) der mit dem elektrischen Kabel 17 gekoppelten geformten Ladungen zur Folge. In anderen Ausführungsformen, die Zündereinrichtungen mit von Kondensatoren verschiedenen Energiequellen verwenden, können diese Energiequellen durch eine Spannung auf dem elektrischen Kabel 17 erregt werden. Die erregten Energiequellen können dann getriggert werden, um ihre Energie in die entsprechenden EFI-Schaltungen einzukoppeln.
Der hier verwendete Explosionsfolienzünder kann unterschiedlichen Typs sein, etwa „Fliegende Platte"-Explosionsfolienzünder und "blasenaktivierter" Explosionsfolienzünder. Weiterhin können in weiteren Ausführungsformen auch Zünder mit explodierendem Brückendraht verwendet werden. Solche Zünder, die EFIs und EBW-Zünder umfassen, können allgemein als Hochenergie-Brückentyp-Zünder bezeichnet werden, in denen ein verhältnismäßig hoher Strom durch einen Draht oder einen eingeschnürten Abschnitt einer Folie (die beide als Brücke bezeichnet werden) geschickt wird, um ein Verdampfen oder "Explodieren" der Brücke hervorzurufen. Die Verdampfung oder Explosion erzeugt Energie, damit eine fliegende Platte (für den EFI mit fliegender Platte), eine Blase (für den blasenaktivierten EFI) oder eine Stoßwelle (für den EBW-Zünder) einen Sprengstoff zur Detonation bringt. In der folgenden Beschreibung wird auf den EFI des Typs mit "fliegender Platte" Bezug genommen. In weiteren Ausführungsformen können jedoch andere Typen von Hochenergie-Brückentyp-Zündern verwendet werden.
Die Vorteile, die durch derartige Zündmechanismen geschaffen werden können, wenn sie in einer Perforierkanone verwendet werden, können einen oder mehrere der folgenden umfassen: (1) Ladungen können enger zusammengepackt werden (um eine höhere Schußdichte zu erzielen), wobei dennoch eine verhältnismäßig hohe Leistung ohne gegenseitige Störung geschaffen wird, die andernfalls bei einer langsameren Zünder-Zündschnur vorhanden wäre, (2) verringerte Anforderungen an sofortiger Leistung und an sofortigem Strom im elektrischen Kabel 17, um die CDUs zu aktivieren, (3) die Ladungen können zentral mit dem Detonationsdruck des Sprengstoffs zur Detonation gebracht werden, was eine bessere Leistung zur Folge hat, und (4) erhöhte Sicherheit, weil die Zündschnur von der Perforierkanone weggelassen werden kann. Weiterhin besitzen EFI- und EBW-Zünder im Vergleich zu SCB(Halbleiterbrücken)-Zündern schnellere Ansprechzeiten. Folglich kann mit EFI und EBW-Zündern eine Nanosekunden-Gleichzeitigkeit der Aktivierung erzielbar sein.
Durch Verteilen von Auslösekondensatoren oder anderer Typen von Energiequellen, die den geformten Ladungen zugeordnet sind, um die Ladung zu speichern, die zum Aktivieren der CDUs benötigt wird, können die sofortige Leistung und der sofortige Strom, die über das elektrische Kabel 17 übertragen werden müssen, verringert werden. Ein Unterschied zwischen bestimmten Ausführungsformen der Erfindung und herkömmlichen EFI-Systemen besteht darin, daß das vorliegende System nicht mehr erfordert, daß eine hohe Leistung "gelenkt" und längs eines elektrischen Kabels nach unten verteilt werden muß, was insbesondere bei einem langen Kabel und seiner ihm eigenen hohen Impedanz schwer zu erzielen sein könnte. Statt dessen sind in bestimmten Ausführungsformen die Energiequellen für die EFI-Schaltkreise verteilt und nahe bei den geformten Ladungen angeordnet.
Außerdem ermöglicht ein verbesserter Entwurf der CDU in bestimmten Ausführungsformen die Aktivierung der CDU mit einer verringerten Spannung im Vergleich zu herkömmlichen CDUs. In einem herkömmlichen System wird ein Kondensator (der z. B. eine Kapazität von ungefähr 0,1 μF besitzt) auf etwa 2700 Volt aufgeladen, um eine EFI-Schaltung zuverlässig zu zünden. Die herkömmlichen EFI-Detonatoren besitzen verhältnismäßig große Abmessungen; daher ist es unpraktisch, einige derartige Detonatoren in der Nähe entsprechender geformter Ladungen zu verteilen. Im Gegensatz dazu werden in bestimmten Ausführungsformen der Erfindung energieeffizientere EFI-Schaltkreise verwendet. Die Energiequelle zum Zünden einer EFI-Schaltung gemäß bestimmten Ausführungsformen wird durch Aufladen eines Kondensators auf eine niedrigere Spannung geschaffen. Diese Kondensatoren werden über das elektrische Kabel 17 über eine verhältnismäßig kurze Zeitperiode (z. B. einige Minuten) von einer Stromquelle aufgeladen, die sich an der Bohrlochoberfläche befindet oder durch eine bohrlochseitige Batterie geschaffen wird (falls kein Trägerkabel 13 vorgesehen ist). Die Kondensatoren werden anschließend entladen, um die zugeordneten EFI-Schaltungen zu aktivieren. Die Kondensatoren können auf etwa 800 bis 1500 Volt aufgeladen werden. Die Kombination aus der verhältnismäßig geringen Kapazität und einer geringeren Spannung (als in herkömmlichen Systemen) hat zur Folge, daß die CDUs für die Aktivierung wesentlich weniger Energie benötigen. Die in einer Ausführungsform einer CDU erforderliche Energie kann lediglich 10 % der in herkömmlichen CDU-Systemen erforderlichen Energie betragen. Die niedrigere Zündenergie ermöglicht die Verwendung kleinerer, kompakterer CDUs, die bei angemessenen Kosten in die geformten Ladungen selbst integriert werden können. In einer Ausführungsform kann eine CDU-Baueinheit allgemeine Abmessungen von etwa 0,3 Zoll × 0,4 Zoll × 0,16 Zoll oder weniger haben.
Wie in 2A gezeigt ist, ist gemäß einer Ausführungsform das Bohrlochwerkzeug 10, das die Perforierkanone 15 mit geformten Ladungen 20 enthält, von der Oberfläche aus über das Trägerkabel 13 (z. B. eine Drahtleitung) aktivierbar. Eine Bohrlochoberflächen-Stromversorgung und das Trägerkabel 13 können eine vorgegebene Spannung (z. B. zwischen etwa 200 und 500 Volt Gleichstrom) an ein Bohrloch-Aktivierungsmodul 14 anlegen, das eine Stromversorgung, eine Trigger-Schaltungsanordnung und andere Schaltungsanordnungen enthält. Die Stromversorgung kann eine Spannungsvervielfachungsschaltung enthalten, um die unten am Trägerkabel 13 empfangene Spannung auf eine höhere Spannung (z. B. zwischen etwa 800 und 1500 Volt Gleichstrom) hochzustufen, um sie über eine Ladungsleitung 16 (die einen Teil des elektrischen Kabels 17 bildet) zu verteilen, um die Auslösekondensatoren 18 (oder einen anderen Typ einer lokalen Energiequelle) in den geformten Ladungen 20 oder in deren Nähe aufzuladen. Jeder geformten Ladung 20 ist eine verhältnismäßig kleine CDU 21 (2B) zugeordnet, die einen Auslösekondensator 18, einen Ableiterwiderstand 26, eine triggerfähige Schalt-Schaltung 18, ein (in 2 nicht gezeigtes) Barrel und eine EFI-Schaltung 22 umfaßt, die sich in einer Ausführungsform sämtlich an der Rückseite der geformten Ladung 20 oder in deren Nähe befinden. Andere Anordnungen der CDU 21 und andere Techniken zum Koppeln der CDU 21 mit der geformten Ladung 20 sind ebenfalls möglich. Sobald die Auslösekondensatoren 18 vollständig aufgeladen sind, was beispielsweise nur wenige Minuten in Anspruch nehmen könnte, wird auf einer Triggerleitung 28 (die ebenfalls einen Teil des Kabels 17 bildet) ein Triggersignal nach unten geschickt, um alle Auslösekondensatoren 18 im wesentlichen gleichzeitig (innerhalb von wenigen 10 oder 100 Nanosekunden) zu entladen. Dadurch wird wiederum Energie geliefert, um die EFI-Schaltungen 22 dazu zu veranlassen, kleine Flugkörperplatten auszuschleudern, die Brisanz-Sprengstoffe 24 (Schlagklassen-Sprengstoffe) zünden, die ihrerseits die geformten Ladungen 20 in der Kanone zur Detonation bringen.
Andere Ausführungsformen sind ebenfalls möglich. In einer hiervon werden die Auslösekondensatoren durch eine bohrlochseitige Batterie statt durch eine an der Bohrlochoberfläche befindliche Stromquelle mit Energie versorgt. Dies kommt zur Anwendung, wenn der Träger 12 (wie etwa eine Schlammleitung oder eine Verrohrung) beispielsweise keine elektrischen Leiter enthält. In einer anderen Ausführungsform wird der Spannungsvervielfacher weggelassen, indem die Oberflächenspannung der Stromquelle auf einen erhöhten Pegel (z. B. zwischen etwa 800 und 1500 Volt Gleichstrom) erhöht wird. In weiteren Ausführungsformen können Energiequellen, die von Auslösekondensatoren verschieden sind, in den Zündereinrichtungen verwendet werden.
Zusammengefaßt wird ein System, das eine Mehrpunktzündung von Sprengeinrichtungen schafft, beschrieben, das eine Reihe von Sprengeinrichtungen enthält, wovon jeder eine Zündereinrichtung (wie etwa eine CDU) zugeordnet ist, die einen EFI (oder einen anderen Brückentyp-Zünder), einen Schlagklassen-Sprengstoff, eine Energiequelle wie etwa einen Kondensator und eine triggerbare Schalt-Schaltung enthält. Das System umfaßt außerdem ein elektrisches Kabel, um eine Ladespannung zu liefern, um die Kondensatoren (oder andere Typen lokaler Energiequellen) in den Zündereinrichtungen aufzuladen. Das elektrische Kabel enthält eine Verteilungsverdrahtung, die eine Ladespannung in die Zündereinrichtungen einkoppelt und ein Triggersignal von einer Triggerschaltung transportiert, um im wesentlichen gleichzeitig die Kondensatoren in den Zündereinrichtungen zu entladen.
In 3 ist ein elektrischer Schaltplan des Bohrlochwerkzeugs 10 gezeigt.
Die (nicht gezeigte) Steuereinheit an der Bohrlochoberfläche ist mit einer Stromquelle ausgerüstet, die eine vorbestimmte Spannung längs des Trägerkabels 13 nach unten schicken kann, welches eine verhältnismäßig große Länge (z. B. bis zu etwa 25000 Fuß oder mehr) haben kann. Das Aktivierungsmodul 14 des Bohrlochwerkzeugs 10 kann eine Rückfilter- und Spannungs-Stand-off-Schaltungsanordnung 52, eine Vervielfacherschaltung 50 (die ein Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer sein kann), die die über das Trägerkabel 13 empfangene Spannung vervielfacht, um Kondensatoren in den mit der Ladungsleitung 16 gekoppelten CDUs aufzuladen, und eine Triggerschaltung 54, die ein Triggersignal auf der gemeinsamen Triggerleitung 28 nach unten schickt, um die EFIs, die sich in den den geformten Ladungen 20 zugeordneten CDUs 21 befinden, zu aktivieren, enthalten. In einer weiteren Ausführungsform, in der die Energie durch eine bohrlochseitige Batterie bereitgestellt wird, kann das Aktivierungsmodul 14 außerdem eine Batterie 51 enthalten.
Die Vervielfacherschaltung 50 stuft die über das Trägerkabel 13 von der Oberfläche empfangene Spannung von zwischen etwa 200 bis 500 Volt Gleichstrom beispielsweise auf zwischen etwa 800 bis 1500 Volt Gleichstrom hoch. Die vervielfachte Spannung wird an die Auslösekondensatoren 18 in den CDUs über die Ladungsleitung 16 geliefert. Sobald die Kondensatoren 18 vollständig aufgeladen sind, wird die Triggerschaltung 54 in dem Modul 14 (beispielsweise durch einen Befehl, der längs des Trägerkabels 13 nach unten geschickt wird, oder durch einen Druckimpuls oder einen Hydraulikbefehl) aktiviert. Wenn die Triggerschaltung 54 aktiviert ist, schickt sie einen Signalimpuls längs der getrennten Triggerleitung 28 nach unten, der im wesentlichen gleichzeitig die gespeicherte Energie in jedem Auslösekondensator 18 in entsprechenden EFI-Schaltungen 22 entlädt, wodurch wiederum die entsprechenden geformten Ladungen 20 zur Detonation gebracht werden.
Die EFI-Schaltung 22 in jeder CDU 21 befindet sich im allgemeinen dort, wo normalerweise die Zündschnur mit der Rückseite jeder geformten Ladung 20 in Kontakt ist. Der Auslösekondensator 18 kann eine verhältnismäßig kleine Kapazität (z. B. etwa 0,08 μF) besitzen und beispielsweise aus einem Keramikmaterial hergestellt sein. Der Ableiterwiderstand 26 wird verwendet, um den Auslösekondensator 18 bei einer Fehlzündung zu entladen, und kann einen hohen Widerstandswert (z. B. etwa 200 MΩ) besitzen. Die triggerbare Schalt-Schaltung 62 (die eine Funkenstreckenschaltung oder ein anderer Schalter sein kann) schafft einen schnellen Mechanismus zum Abführen der Energie vom Kondensator 18 zur EFI-Schaltung 22. In bestimmten Ausführungsformen ist jede Schalt-Schaltung 62 einteilig mit einer entsprechenden EFI-Schaltung 22 ausgebildet, wobei beide auf derselben Trägerstruktur aufgebaut sind.
Optional kann in jeder CDU 21 zwischen der Leitung 16 und dem Auslösekondensator 18 ein Widerstand 66 geschaltet sein. Bei einem Kurzschluß in der CDU 21 wie etwa einem Kurzschluß des Kondensators 18 schützt der Widerstand 66 die Leitung 16 vor einem Kurzschluß, so daß die verbleibenden CDUs weiterhin arbeiten können. Der Widerstand 66 verringert außerdem die Wahrscheinlichkeit einer gegenseitigen Störung der Entladungen der CDUs.
Die enge Kopplung des Auslösekondensators 18 und der einteilig ausgebildeten Schalt-/EFI-Baueinheit bewirkt, daß die CDU 21 effizient und schnell Energie an die EFI-Schaltung 22 liefern kann, weil die Induktivität und der Widerstand des Lieferweges verhältnismäßig niedrig sind. In einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der Lieferweg eine Induktivität von ungefähr 5 nH (Nano-Henry) und einen Widerstand von ungefähr 20 mΩ (Milliohm).
Im folgenden werden mehrere Ausführungsformen einer integrierten Baueinheit, die die EFI-Schaltung 22 und die Schalt-Schaltung 62, die auf derselben Trägerstruktur (z. B. einem polierten Keramiksubstrat) ausgebildet sind, enthält, diskutiert.
In 4A ist eine Anordnung der Zündereinrichtung 21 und der Sprengeinrichtung 20 gezeigt. Die Zündereinrichtung 21 kann eine CDU sein, die gemäß einer Ausführungsform die EFI-Schaltung 22 und einen Plasmadioden-Schalter enthält. Die EFI-Schaltung 22 des Flugplattentyps kann aus verhältnismäßig dünnen (Submikron-Toleranz) aufgebrachten Schichten eines Isolators 222, eines Leiters 224 und eines Isolators 226 aufgebaut sein. In einer Ausführungsform können die Isolierschichten 222 und 226 aus Polyimid (z. B. KAPTON^® oder Pyralin) gebildet sein, während die Leiterschicht 224 aus einem Metall wie etwa Kupfer, Aluminium, Nickel, Stahl, Wolfram, Gold, Silber, einer Metallegierung und dergleichen gebildet sein kann. Die Schichten 222, 224 und 226, die die EFI-Schaltung 22 bilden, können auf einer Trägerstruktur 220 (die aus einem Werkstoff gebildet sein kann, der Keramik, Silicium oder einen anderen geeigneten Werkstoff umfaßt) gebildet sein. In einer alternativen Ausführungsform kann die untere Isolierschicht 222 der EFI-Schaltung 22 ein Teil der Trägerstruktur 220 sein. Die dünnere äußere Isolierschicht 226 dient als Flugkörper oder Schlagelement, das den sekundären Brisanz-Sprengstoff 24 zündet, der HNS4, NONA oder ein anderer Sprengstoff sein kann. Bei einer Aktivierung der EFI-Schaltung 22 fliegt der Flugkörper, der aus der oberen Isolierschicht 226 ausgebrochen wird, durch ein Barrel 232 in einen Zwischenraum 230, um auf den Brisanz-Sprengstoff 24 aufzutreffen. Der Brisanz-Sprengstoff 24 ist mit dem Sprengstoff 240 der geformten Ladung 20 in Kontakt. Die Detonation des Brisanz-Sprengstoffs 24 zündet den Sprengstoff 240 der geformten Ladung (oder einen anderen Sprengstoff).
Alternativ kann das Flugelement ein Verbundstoff aus einer Isolierschicht (z. B. KAPTON^® oder Pyralin) und einem Metall wie etwa Aluminium, Kupfer, Nickel, Stahl, Wolfram, Gold, Silber und dergleichen sein. Der Wirkungsgrad der EFI-Schaltung 22 wird durch Aufbauen der EFI-Schaltung 22 aus dünnen Schichten aus Metall und Polyimid erhöht. Eine dünne Metallisierungsschicht ist mit der niedrigeren ESL (der äquivalenten Reiheninduktivität) der CDU kompatibel.
In 5 ist eine Draufsicht der EFI-Schaltung 22 gemäß der Ausführungsform nach 4A veranschaulicht. Die Leiterschicht 224 (die aus einer Metallfolie gebildet sein kann) befindet sich auf der unteren Isolierschicht 222. Die Leiterschicht 224 enthält zwei Elektrodenabschnitte 250 und 252 und einen eingeschnürten Halsabschnitt 254. Die obere Isolierschicht 226 (die aus Polyimid oder einem anderen Isolator gebildet sein kann) deckt Abschnitte sowohl der Leiterschicht 224 (einschließlich des Halsabschnitts 254) als auch der unteren Isolierschicht 222 ab. Eine über die Elektroden 250 und 252 angelegte Spannung bewirkt, daß ein Strom durch den Halsabschnitt 254 fließt. Falls der Strom eine ausreichende Größe hat, kann der Halsabschnitt 254 explodieren oder verdampfen und eine Phasenänderung erfahren, um ein Plasma zu erzeugen. Das Plasma bewirkt, daß sich ein Teil der Schicht 226 (der als Flugkörper bezeichnet wird) hiervon trennt und durch das Barrel 232 fliegt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Flugkörper-Geschwindigkeit von etwa 3 mm/μs erzielt werden.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden der EFI-Schaltung 22 kann die folgende sein. Die untere Isolierschicht 222 kann ein Keramikwerkstoff einschließlich Aluminium sein und eine Dicke von etwa 25 Millizoll (0,064 cm) haben. Mehrere Metallfolien 224 können auf einer Lage eines Keramiksubstrats ausgebildet werden, um gleichzeitig mehrere EFI-Schaltungen zu schaffen. Die Metallfolien können durch Ablagerung mittels Kathodenzerstäubung oder durch Elektronenstrahlablagerung abgelagert werden. Jede Metallfolie 224 kann drei Metallschichten enthalten, die beispielsweise Schichten aus Titan, Kupfer und Gold enthalten. Beispielhafte Dicken der mehreren Schichten können die folgenden sein: etwa 500 Å Titan, etwa 3 μm Kupfer und etwa 500 Å Gold.
Nach der Ablagerung der Metallschicht 224 kann auf die gesamte obere Oberfläche des Keramiksubstrats 222 Polyimid in fließbarer Form gegossen werden. Eine erste Beschichtung aus Polyimid kann auf das Keramiksubstrat 222 mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit (z. B. etwa 2900 min^-1) für eine vorbestimmte Zeitdauer (z. B. etwa 30 Sekunden) aufgeschleudert werden. Die Polyimid-Schicht kann anschließend durch mäßiges Brennen in einer Stickstoffumgebung bei einer vorbestimmten Temperatur (z. B. etwa 90 °C) während einer vorbestimmten Zeitdauer (z. B. etwa 30 Minuten) gehärtet werden. In einer Ausführungsform kann auf das Keramiksubstrat und die Metallfolie 224 eine zweite Beschichtung aus Polyimid aufgeschleudert werden. Nachdem die Polyimid-Schichten aufgeschleudert und gehärtet worden sind, wird über der Metallfolie 224 und dem Keramiksubstrat 222 eine Schicht aus Polyimid mit etwa 10 Mikrometern gebildet. Anschließend wird die Polyimid-Schicht selektiv geätzt, um alle Abschnitte der Polyimid-Schicht mit Ausnahme des Abschnitts über dem Abschnitt mit eingeschnürtem Hals der Folie 224 zu entfernen.
Die Schalt-Schaltung 62 kann auf dem gleichen Trägersubstrat 220 in die EFI-Schaltung 22 integriert sein. In einer Ausführungsform der Schalt-Schaltung 62 ist eine Zener-Diode 202 auf einer Leiter/Isolator/Leiter-Baueinheit (z. B. Kupfer/Polyimid/Kupfer-Baueinheit), die Leiterschichten 242 und 246 und eine Isolierschicht 244 enthält, angeordnet. Alternativ kann statt der Zener-Diode 202 eine weitere Vorrichtung mit einem P/N-Übergang, der in dotiertem Silicium oder einem anderen geeigneten Werkstoff gebildet ist, verwendet werden. Wie ferner in dem Schaltplan von 4B gezeigt ist, ist die obere Leiterschicht 242 mit einem Knoten des Auslösekondensators 18 (über einen Draht 207) und der Zener-Diode 202 elektrisch gekoppelt. Die untere Leiterschicht 246 ist mit einer Elektrode der EFI-Schaltung 22 elektrisch gekoppelt, etwa über Leiterbahnen in der Trägerstruktur 220. Die Diode 202 bricht als Antwort auf eine angelegte Spannung (über einen Draht 205) durch, wenn die Triggerleitung 28 einen Schalter S1 aktiviert. In einer weiteren Ausführungsform kann der Schalter S1 weggelassen sein, wobei dann die Diode 202 mit der Triggerleitung 28 gekoppelt ist. Die an die Triggerleitung 28 angelegte Spannung kann beispielsweise im Bereich von etwa 50 bis etwa 250 Volt Gleichstrom liegen. Die Kennlinien der Diode 202 sind derart, daß sie einen Lawinendurchbruch erzeugt, wenn sie als Antwort auf die angelegte Spannung einen Strom leitet, wodurch ein starker Stromanstieg und ein explosives Bersten hervorgerufen wird, das die obere Leiterschicht 242 und die Isolierschicht 244 durchbricht, um eine elektrische Verbindung mit der anderen Leiterschicht 246 herzustellen und den Kreis vom Auslösekondensator 18 zur EFI-Schaltung 22 zu schließen. Diese Konfiguration ist in der Tat ein hocheffizienter triggerbarer Schalter. Es können auch andere Schalter-Ausführungsformen verwendet werden.
Wie oben erwähnt wurde, enthält ein weiterer Typ einer EFI-Schaltung einen "blasenaktivierten" Explosionsfolienzünder. Ein beispielhafter blasenaktivierter EFI ist in dem übertragenen US-Patent Nr. 5.088.413 an Huber u. a. offenbart, das hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Der blasenaktivierte EFI erzeugt infolge der Verdampfung des Halsabschnitts der Folie keine Flugplatte. Statt dessen ist auf eine Folienbrücke (mit eingeschnürtem Halsabschnitt) eine Polyimid-Schicht mit vorgegebener Dicke aufgebracht, wobei dann, wenn als Antwort auf einen hohen Stromfluß durch die Folie der Halsabschnitt verdampft oder explodiert, unter der Polyimid-Schicht eine Turbulenz auftritt, die bewirkt, daß die Polyimid-Schicht über dem Halsabschnitt eine Blase bildet. Die Blase dehnt sich mit hoher Geschwindigkeit aus, um bei ihrem Auftreffen eine Detonation eines Sprengstoffs hervorzurufen.
Ein weiterer Typ eines hochenergetischen Brückentyp-Zünders, der verwendet werden könnte, ist der EBW-Zünder, der zwischen zwei Elektroden einen dünnen Draht enthält. Ein hoher Strom, der durch den Draht geschickt wird, bewirkt, daß der Draht explodiert oder verdampft, wodurch eine große Wärme und eine Stoßwelle erzeugt werden. Durch die Stoßwelle wird ein den Draht umgebender Sprengstoff zur Detonation gebracht.
Der Vorteil des beschriebenen Systems gemäß bestimmten Ausführungsformen gegenüber Systemen, die eine Zündschnur verwenden, besteht darin, daß die Zündung der geformten Ladungen im wesentlichen sofort (beispielsweise innerhalb 100 ns) erfolgt. Dadurch können Ladungen näher zusammengepackt werden, ohne daß die Detonation einer Ladung die Leistung einer benachbarten Ladung nachteilig beeinflußt. Dies ist ein deutlicher Vorteil, der sich aus der höheren Packungs- oder Schußdichte in einer Perforierkanone ergibt und eine verbesserte Bohrungsrentabilität umfaßt, wie in James E. Brooks, "A Simple Method for Estimating Well Productivity", Society of Petroleum Engineers (1997), erläutert ist. Falls beispielsweise der Ergiebigkeitswirkungsgrad einer Kanone niedrig ist, ist die Erhöhung der Schußdichte eine gute Art, die Ergiebigkeit zu erhöhen, insbesondere dann, wenn die Erhöhung der Perforationslänge des Strahls der geformten Ladung keine Option darstellt.
Das Vorliegen einer "elektrischen Zündschnur" hat außerdem weitere Vorteile. Einer hiervon ist die zentrierte Zündung der geformten Ladung, die geradere Perforationsstrahlen ergibt, was ein besseres Eindringen zur Folge hat. Der andere ist der Sicherheitsvorteil, der sich aus der Weglassung einer Sprengstoffkomponente aus der Kanonen/Zündschnur-Baueinheit ergibt.
Im allgemeinen ist es wünschenswert, die Schalt-Schaltung 62 für die Verwendung in einer Zündereinrichtung in einem Schalter mit verhältnismäßig hoher Ansprechgeschwindigkeit, niedriger Induktivität und niedrigem Widerstand zu implementieren. Die Schalt-Schaltung 62 kann außerdem mit verhältnismäßig hoher Spannung und verhältnismäßig hohen Strömen arbeiten. Wie in Verbindung mit den 4A, 4B und 5 beschrieben worden ist, ist ein solcher Typ eines Schalters der Plasma-Schalter. Andere Typen von Schaltern umfassen einen Schmelzeinsatz-Schalter, einen Überspannungs-Schalter mit einer externen Triggeranode, einen Leiter/Isolator/Leiter-Überspannungs-Schalter, einen mechanischen Schalter oder irgendeinen anderen Schaltertyp.
Der Plasma-Schalter der 4 und 5 enthält einen Schalter 62 mit einer Zener-Diode 202 und eine Leiter/Isolator/Leiter–Baueinheit mit Schichten 242, 244 und 246. In den 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform eines Plasma-Schalters 300 gezeigt. Der Plasma-Schalter 300 umfaßt eine Brücke 302, die aus Metall wie etwa Kupfer, Aluminium, Nickel, Stahl, Wolfram, Gold, Silber, einer Metallegierung und dergleichen gebildet sein kann. Die Brücke 302 wird anstelle eines Silicium-P/N-Übergangs wie etwa desjenigen in der Zener-Diode 202 in dem Plasmadioden-Schalter 62 von 4A verwendet. Die Brücke 302 enthält einen eingeschnürten Halsbereich 304, der (ähnlich wie der eingeschnürte Halsabschnitt der EFI-Schaltung) explodiert oder verdampft, um ein Plasma zu bilden, wenn durch den Bereich 304 ausreichend viel elektrische Energie geschickt wird. Wie in 6 gezeigt ist, kann der Schalter 300 fünf Schichten umfassen: eine obere Leiterschicht 310, eine erste Isolierschicht 312, eine mittlere Leiterschicht 314, die die Brücke 302 bildet, eine zweite Isolierschicht 316 und eine untere Leiterschicht 318. Die oberen, mittleren und unteren Leiterschichten 310, 314 und 318 können aus einem Metall gebildet sein. Die Isolierschichten 312 und 316 können aus einem Polyimid wie etwa KAPTON^® oder Pyralin gebildet sein. Der Schalter 300 kann auf einer Trägerstruktur 320 ähnlich der Trägerstruktur 220 in 4A gebildet sein.
Wenn durch die Brücke 302 ausreichend Energie (in Form eines elektrischen Stroms) geschickt wird, explodiert oder verdampft der eingeschnürte Bereich 304, so daß Plasma durch die Isolierschichten 312 und 316 dringt, um die oberen und unteren Leiter 310 bzw. 318 elektrisch miteinander zu koppeln. In einer beispielhaften Ausführungsform können die Schichten die folgenden Dicken besitzen. Die Leiterschichten 310, 314 und 318 können ungefähr 3,1 Mikrometer (μm) dick sein. Die Isolierschicht 312 und 316 kann jeweils ungefähr 0,5 Millizoll (0,0013 cm) dick sein. Die Abmessungen des eingeschnürten Halsbereichs 304 können ungefähr 4 Millizoll mal 4 Millizoll (0,0102 cm mal 0,0102 cm) sein.
In einer alternativen Anordnung des Schalters 300 kann die Brücke über einem Leiter-Isolator-Leiter-Schalter angeordnet sein. Die Brücke kann von der oberen Leiterschicht durch eine Isolierschicht isoliert sein. Die Anwendung elektrischer Energie würde die Brücke zur Explosion bringen oder verdampfen und den oberen Leiter mit dem unteren Leiter verbinden.
Wie in den 8 und 9 gezeigt ist, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Schmelzeinsatz-Schalter 400 auf einer Trägerstruktur (z. B. einem Keramiksubstrat) hergestellt sein und mit einem Zünder 401 wie etwa einer EFI-Schaltung einteilig ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann auf ein Keramiksubstrat Kupfer mittels Vakuumabscheidung oder Kathodenzerstäubung aufgebracht werden, wobei eine Maske verwendet wird, um das in 8 gezeigte Muster zu ätzen. Ein Ende eines Schmelzeinsatzes 404 ist mit einem ersten Leiter 406 elektrisch verbunden, während das andere Ende des Schmelzeinsatzes 404 mit einer Triggerelektrode 408 (die mit der Triggerleitung 28 gekoppelt sein kann) verbunden ist. Der Schmelzeinsatz 404 ist außerdem mit einer Polyimid-Abdeckung 414 beschichtet, die als elektrischer Isolator wirkt, um eine elektrische Leitung zwischen dem Leiter 406 und einem zweiten Leiter 410 zu verhindern.
Der Schmelzeinsatz-Schalter 400 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform die folgenden spezifischen Abmessungen haben. Der Schmelzeinsatz 404 kann Abmessungen von etwa 9 Millizoll × 9 Millizoll (0,0229cm × 0,0229cm) haben. Der Schmelzeinsatz 404 kann aus einer oder mehreren Metallschichten z. B. einer ersten Schicht aus Kupfer (z. B. etwa 2,5 μm) und einer zweiten Schicht aus Titan (z. B. etwa 0,05 μm Dicke) gebildet sein. Die Isolierabdeckung 414 kann aufgeschleudertes Polyimid (z. B. eine Schicht aus P12540- Polyimid mit einer Dicke von etwa 10 μm) sein. Die Elektroden 416 und 418, die in den ersten bzw. zweiten Leitern 406 bzw. 410 ausgebildet sind, können mit Wolfram oder einem anderen ähnlich gehärteten Metall beschichtet sein. Der Abstand zwischen dem Schmelzeinsatz 404 und den Elektroden 416 und 418 auf beiden Seiten kann eine vorbestimmte Strecke sein, beispielsweise etwa 7 Millizoll (0,0178 cm).
Wenn im Betrieb an die Leiter 406 und 410 ein elektrisches Potential angelegt wird, fließt zwischen den beiden Leitern kein Strom, da zwischen ihnen die Isolierabdeckung 414 vorhanden ist. Falls jedoch an die Triggerelektrode 408 eine ausreichend hohe Spannung angelegt wird, kann in dem Schmelzeinsatz-Bereich eine Phasenänderung induziert werden. Die Wärmeeffekte des Schmelzeinsatzes 404 bewirken wiederum einen Durchbruch des Dielektrikums der Isolationsabdeckung 414, die gekoppelt mit der Phasenänderung des Schmelzeinsatzes 404 einen leitenden Pfad zwischen den Elektroden 416 und 418 erzeugt. Dadurch wird der Schalter 400 in der Tat geschlossen, so daß zwischen dem Leiter 406 und dem Leiter 410 ein Strom fließen kann. Ein hoher Strom, der durch einen eingeschnürten Halsabschnitt 402 des EFI-Leiters 410 fließt, bewirkt eine Verdampfung des Halsabschnitts 402, wodurch ein Flugkörper von der Schicht 412 (z. B. einer Polyimid-Schicht) abgeschert wird.
Wie in 10 gezeigt ist, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Überspannungsschalter 500, der aus einer Leiter/Isolator/Leiter-Struktur gebildet ist, verwendet werden. Der Schalter 500 enthält eine erste Leiterschicht 502, eine Zwischenisolierschicht 504 und eine zweite Leiterschicht 506, die in einer beispielhaften Ausführungsform aus Kupfer, Polyimid bzw. Kupfer gebildet sind. Die Schichten können auf einer keramischen Trägerstruktur abgelagert sein. Wenn über die Leiterschichten 502 und 506 eine ausreichende Spannung angelegt wird, kann ein Durchbruch der Isolierschicht 504 auftreten. Die Durchbruchspannung ist eine Funktion der Dicke der Polyimid-Schicht 504. Eine Schicht mit einer Dicke von 10 μm kann beispielsweise bei ungefähr 3000 Volt Gleichstrom durchbrechen. Der Durchbruch der Isolierschicht 504 ruft einen Kurzschluß zwischen den Leiterschichten 502 und 506 hervor, wodurch der Schalter 500 effektiv geschlossen wird.
In einer weiteren Anordnung des Schalters 500 kann jede der Leiterschichten 502 und 506 zwei Metallebenen (z. B. etwa 2,5 um Kupfer und 0,05 μm Titan) umfassen. Die Isolierschicht 504 kann ein aufgeschleudertes Polyimid wie etwa KAPTON^® oder Pyralin umfassen.
Wie in 11 gezeigt ist, die eine nochmals weitere Ausführungsform eines Schalters offenbart, kann ein herkömmlicher Überspannungsschalter 600 in der Weise abgewandelt werden, daß er bei einer Spannung, die niedriger als seine normale Durchbruchspannung ist, triggert. Ein Draht 604 kann um eine herkömmliche Funkenstrecke 602 gewickelt sein, um mehrere Windungen zu schaffen. Ein Ende des Drahts 604 ist schwebend, während das andere Ende mit einer Triggeranode 606 verbunden ist (die beispielsweise mit der Triggerleitung 28 verbunden ist). Eine erste Versorgungsspannung PS1 ist auf einen Wert gesetzt, der unter der Zündspannung der Funkenstrecke 602 liegt. Eine zweite Versorgungsspannung PS2 ist auf eine Spannung gesetzt, die ausreicht, um die Funkenstrecke 602 zu ionisieren und um die Funkenstrecke 602 in einen leitenden Zustand zu versetzen. Die erforderliche Spannung ist eine Funktion der Wertedifferenz zwischen der Versorgungsspannung PS1 und der normalen Triggerspannung der Funkenstrecke 602 und der Anzahl der Windungen des Drahts 604 um die Funkenstrecke 602. In einem Beispiel kann für eine Funkenstrecke 602 mit 1400 Volt und einer Versorgungsspannung PS1, die auf etwa 1200 Volt gesetzt ist, die Anzahl der Windungen des Drahts 604 um die Funkenstrecke 602 sechs betragen. Die Versorgungsspannung PS2 kann auf etwa 1000 Volt gesetzt sein. Bei Schließen eines Schalters S1 geht die Funkenstrecke 602 in den leitenden Zustand über und schickt die Kondensatorladung in die EFI-Schaltung 610, die ihrerseits einen Brisanz-Sprengstoff (HE) 612 aktiviert.
Wie in 12 gezeigt ist, kann gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform ein mechanischer Schalter 700, der durch ein mikroelektromechanisches System 702 aktivierbar ist, verwendet werden. In dieser Ausführungsform ersetzt das mikroelektromechanische System den in herkömmlichen Reißzwecken-Schaltern verwendeten Reißzwecken-Aktuator. Der Schalter 700 enthält obere und untere Leiterschichten 704 und 708, zwischen denen eine Isolierschicht 706 sandwichartig angeordnet ist. Die Leiterschichten 704 und 708 können jeweils aus Metall gebildet sein. Die Isolierschicht 706 kann eine Polyimid-Schicht enthalten. Das mikroelektromechanische System 702 kann über der oberen Leiterschicht 704 angeordnet sein. Wenn ein Aktuator 703 in dem mikroelektromechanischen System 702 etwa durch Anlegen einer elektrischen Spannung mit einer vorbestimmten Amplitude betätigt wird, bewegt er sich durch die Schichten 704 und 706, um einen Kontakt mit der unteren Leiterschicht 708 herzustellen. Da durch werden die oberen und unteren Leiter 704 und 706 gekoppelt, um den Schalter 700 zu aktivieren. In einer Ausführungsform kann eine Öffnung 707 durch die Schichten 704 und 706 ausgebildet sein, durch die sich der Aktuator 703 vom mikroelektromechanischen System 702 bewegen kann. In einer weiteren Ausführungsform kann der Aktuator 703 vom mikroelektromechanischen System 702 die Schichten 704 und 706 durchstechen, um die Schicht 708 zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein mikroelektromechanischer Schalter zwei bewegliche Kontakte, die beispielsweise durch einen Spalt getrennt sind, enthalten. Die Kontakte können aus einem Metall gebildet sein. Wenn über die Kontakte eine vorbestimmte elektrische Energie angelegt wird, werden die Kontakte durch den Spalt aufeinander zu bewegt, um den elektrischen Kontakt herzustellen. Dadurch wird ein elektrischer Pfad zwischen den Kontakten geschaffen. Andere mechanische Schalter gemäß weiteren Ausführungsformen können einen Metallstab enthalten, der durch den Bohrlochdruck betätigt wird, um die beiden Leiter und eine Isolierschicht zu durchstechen. Es könnte auch ein Gedächtnis-Legierungsmetall verwendet werden, das die beiden Leiter durchsticht und sich durch diese bewegt, wenn durch einen elektrischen Strom erzeugte Wärme eingebracht wird.

Claims

Perforierkanone zur Verwendung in einem Bohrloch, umfassend: mehrere geformte Ladungen; mehrere Zünderkomponenten, die Brückentyp-Komponenten umfassen, die mit entsprechenden geformten Ladungen gekoppelt sind; und ein elektrisches Kabel, das mit den mehreren Zünderkomponenten gekoppelt ist, wobei jede Zünderkomponente eine Energiequelle enthält, die so beschaffen ist, daß sie durch eine Spannung auf dem elektrischen Kabel erregt werden kann, wobei die Energiequelle Energie für die Betätigung des Brückentyp-Zünders bereitstellt.
Perforierkanone nach Anspruch 1, bei der jede Energiequelle einen Kondensator enthält.
Perforierkanone nach Anspruch 1, bei der der Brückentyp-Zünder einen Explosionsfolienzünder enthält.
Perforierkanone nach Anspruch 1, bei der der Brückentyp-Zünder einen Zünder mit explodierendem Brückendraht enthält.
Perforierkanone nach Anspruch 1, bei der jede Zünderkomponente einen Schalter enthält, der den Kondensator mit dem Brückentyp-Zünder koppelt.
Perforierkanone nach Anspruch 5, bei der der Schalter und der Brückentyp-Zünder auf einer gemeinsamen Trägerstruktur ausgebildet sind.
Perforierkanone nach Anspruch 5, bei der der Schalter eine Baueinheit aus einer ersten Leiterschicht, einer Zwischenisolierschicht und einer zweiten Leiterschicht umfaßt.
Perforierkanone nach Anspruch 7, bei der der Schalter einen Plasmaschalter enthält.
Perforierkanone nach Anspruch 8, bei der der Schalter ferner eine Diode enthält, die mit der ersten Leiterschicht elektrisch gekoppelt ist, und bei der die zweite Leiterschicht mit dem Brückentyp-Zünder elektrisch gekoppelt ist.
Perforierkanone nach Anspruch 1, bei der der Brückentyp-Zünder eine erste Isolierschicht, eine Zwischenleiterschicht und eine zweite Isolierschicht enthält.
Perforierkanone nach Anspruch 10, bei der die Leiterschicht einen Halsabschnitt enthält, der so beschaffen ist, daß er als Antwort auf einen angelegten Strom eine Phasenänderung erfährt, um ein Plasma zu erzeugen, das wenigstens einen Abschnitt der ersten Isolierschicht dazu veranlaßt, sich vom Brückentyp-Zünder zu trennen.
Perforierkanone nach Anspruch 11, bei der jede Zünderkomponente ferner ein Barrel und einen Sprengstoff enthält und bei der der abgetrennte Abschnitt durch das Barrel fliegt, um auf dem Sprengstoff aufzutreffen, um die entsprechende geformte Ladung zur Detonation zu bringen.
Verfahren zum Aktivieren eines Werkzeugs, das mehrere Sprengeinrichtungen besitzt, umfassend: Vorsehen einer Zündereinrichtung mit einem Brückentyp-Zünder in der Nähe jeder Sprengeinrichtung; Vorsehen eines elektrischen Kabels, um jede Zündereinrichtung zu aktivieren; Liefern einer ersten Spannung, um Energiequellen in entsprechenden Zündereinrichtungen aufzuladen; und Liefern eines Aktivierungssignals, um jede Energiequelle mit einem entsprechenden Brückentyp-Zünder zu koppeln, um den Brückentyp-Zünder zu aktivieren, damit er eine Sprengeinrichtung zur Detonation bringt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Liefern der ersten Spannung das Liefern einer Spannung umfaßt, um einen Kondensator in jeder Energiequelle aufzuladen.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend das im wesentlichen gleichzeitige Aktivieren der Zündereinrichtung.
Vorrichtung zum Aktivieren einer Sprengeinrichtung in einem Bohrlochwerkzeug, umfassend: eine Kondensatorentladungseinheit mit einem Brückentyp-Zünder, einem Kondensator und einem Schalter, der den Kondensator mit dem Brückentyp-Zünder koppelt, wobei der Kondensator die Energiequelle für den Brückentyp-Zünder schafft, wobei die Kondensatorentladungseinheit ferner eine Trägerstruktur enthält, auf der wenigstens der Brückentyp-Zünder und der Schalter angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, ferner mit einer oder mehreren weiteren Kondensatorentladungseinheiten, die mit einer oder mit mehreren entspre chenden Sprengeinrichtungen gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, die ferner ein elektrisches Kabel umfaßt, das mit den Kondensatorentladungseinheiten gekoppelt ist, wobei das elektrische Kabel so beschaffen ist, daß es eine Spannung empfängt, um den Kondensator in jeder Kondensatorentladungseinheit aufzuladen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Brückentyp-Zünder einen Explosionsfolienzünder umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Brückentyp-Zünder einen Zünder mit explodierendem Brückendraht umfaßt.
Werkzeug, das umfaßt: mehrere Sprengeinrichtungen; mehrere Zündereinrichtungen, wovon jede einen Brückentyp-Zünder enthält, der so beschaffen ist, daß er eine entsprechende Sprengeinrichtung zur Detonation bringt, wobei jede Zündereinrichtung eine Energiequelle enthält; und ein elektrisches Kabel, das so beschaffen ist, daß es die Energiequelle in jeder Zündereinrichtung erregt, wobei jede Energiequelle eine Aktivierungsleistung für einen entsprechenden Brückentyp-Zünder bereitstellt.
Werkzeug nach Anspruch 21, bei dem die Zündereinrichtung eine Kondensatorentladungseinheit enthält.
Werkzeug nach Anspruch 21, bei dem die Energiequelle einen Kondensator enthält.
Werkzeug nach Anspruch 21, das ferner einen Schalter umfaßt, der den Kondensator mit dem Brückentyp-Zünder koppelt.
Werkzeug nach Anspruch 24, bei dem jede Zündereinrichtung ferner eine Trägerstruktur umfaßt, auf der der Schalter und der Brückentyp-Zünder angebracht sind.
Werkzeug nach Anspruch 24, bei dem der Schalter einen Plasma-Schalter enthält.
Werkzeug nach Anspruch 24, bei dem der Schalter einen Überspannungs-Schalter enthält.
Werkzeug nach Anspruch 24, bei dem der Schalter einen mechanischen Schalter enthält.
Werkzeug nach Anspruch 24, bei dem der Schalter einen mikroelektromechanischen Schalter enthält.
Verfahren, mit dem eine oder mehrere Sprengeinrichtungen in einem Bohrloch zur Detonation gebracht werden, umfassend: Vorsehen mehrerer Brückentyp-Zünder zum Zünden der Sprengeinrichtungen; Koppeln mehrerer Energiequellen mit entsprechenden Sprengeinrichtungen; und Liefern eines Aktivierungssignals auf einem elektrischen Kabel, um die Energiequellen mit den Brückentyp-Zündern zu koppeln, um die Brückentyp-Zünder zu aktivieren.
Vorrichtung zum Aktivieren von Sprengeinrichtungen, die ein verteiltes Energiesystem umfaßt, das mehrere Energiequellen und entsprechende Brückentyp-Zünder, die in der Nähe der Sprengeinrichtungen angeordnet sind, sowie ein elektrisches Kabel, das so gekoppelt ist, daß es die Energiequellen erregt und die Brückentyp-Zünder mit der Energie von den Energiequellen aktiviert, enthält.