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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zündkopf zum
Betätigen einer von einem Rohr getragenen Perforierkanone.
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Übliche Zündköpfe für von einem Rohr getragene
Perforierkanonen werden typischerweise entweder von mechanischen
Mitteln oder von hydraulischen Mitteln betätigt. Mechanisch
betätigte Zündköpfe werden typischerweise dadurch betätigt, daß
ein beschwertes Glied (allgemein bekannt als "Go-Devil") in
die Bohrung fallengelassen wird, so daß es auf einen Kolben
aufschlägt und einen Zündstift in eine Zündladung treibt. Ein
Beispiel dieses Zündkopftyps kann in U.S.A. Patent Nr.
3,706,344 gefunden werden. Hydraulisch betätigte Zündköpfe
enthalten typischerweise einen Kolben, der auf einer Seite dem
Ringraumdruck in der den Zündkopf umgebenden Bohrung
ausgesetzt ist. Wenn der Druck in dem Ringraum einen vorbestimmten
Betätigungsdruck überschreitet, bewegt sich der Kolben und
treibt einen Zündstift in eine Zündladung. US-A-4678044
beschreibt einen hydraulisch betätigten Zündkopf, bei welchem
der Ringraumdruck zunächst die Freigabe eines Mechanismus
bewirkt, der den Zündstift in einer Nichtzündstellung hält, und
sich danach der Stift unter dem Ringraumdruck bewegt, so daß
er die Zündladung trifft.
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Zusätzlich sind Zündköpfe bekannt, die durch eine
Kombination von mechanischer Wirkung und hydraulischer Wirkung
betätigt werden. Zum Beispiel kann ein Go-Devil zum Aufschlagen
auf einen Aufschlagkolben und zum Bewegen eines Kolbens aus
einer ersten Stellung in eine zweite Stellung verwendet
werden. Die Bewegung des Aufschlagkolbens in die zweite Stellung
löst einen Riegelmechanismus an einem hydraulischen Kolben,
der dann unter Ansprechen auf den hydraulischen Druck in dem
Ringraum bewegt wird, um einen Zündstift in Kontakt mit einer
Zündladung zu bringen. Ein Zündkopf dieses Typs ist in
unserer anhängigen Europäischen Patentanmeldung 2882237 offenbart.
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Bohrlochperforierarbeiten finden unter einer breiten
Vielfalt von Umgebungsbedingungen statt, die extrem hart sein
können. Harte oder unerwartete Umgebungsbedingungen können
unerwartete Probleme dabei verursachen, rohrgetragene
Perforierarbeiten zufriedenstellend auszuführen. Zum Beispiel kann
ein mechanisch betätigter Zündkopf durch körnige Feststoffe in
der Bohrung behindert werden, die sein Funktionieren
verhindern können. Zusätzlich können Faktoren wie eine Abweichung
der Bohrung von der Vertikalen die Möglichkeit beeinflussen,
einen Zündkopf praktisch mechanisch zu betätigen.
Gleichermaßen ist es nicht immer möglich, einen hydraulischen Zündkopf
in einer besonderen Bohrung zu betätigen. Zum Beispiel kann es
eine schadhafte oder schwache Verrohrung unausführbar machen,
an den Ringraum zur hydraulischen Betätigung des Zündkopfes
einen erhöhten Druck anzulegen.
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Dementsprechend ist es wünschenswert, alternative Verfahren
zum Betätigen des Zündkopfes zu haben.
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US-A-4619319 beschreibt einen Zündkopf, der entweder durch
hydraulischen Druck oder mechanisch betätigt werden kann. Wir
haben nun einen verbesserten derartigen Zündkopf konstruiert,
der nicht nur auf Längskraft in eine Richtung nach unten, wie
sie mit einem beschwerten Glied erreicht wird, sondern
zusätzlich auch auf eine Längskraft in eine Richtung nach oben, wie
sie mit einem Leitungskabel oder einer Schlupfleitung angelegt
werden kann, ansprechbar gemacht werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Zündkopf zur
Betätigung einer von einem Rohr getragenen Perforierkanone
vorgesehen, der ein Gehäuse und einen ersten Zündkolben enthält,
der von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegbar
und in der ersten Stellung bis zur Betätigung des Kopfes
gehaltert ist, worauf er sich in seine zweite Stellung bewegt,
um zur Auslösung einer Perforierkanone auf eine Sprengkapsel
aufzuschlagen; dadurch gekennzeichnet, daß der Zündkopf in dem
Gehäuse einen Betätigungsmechanismus aufweist, der einen
Betätigungskolben,
einen zweiten Zündkolben und Haltemittel
enthält, daß der Betätigungskolben aus einer ersten Stellung
unter Ansprechen auf eine allgemein entlang der Längsachse des
Zündkopfes angelegte Kraft bewegbar ist, daß der erste
Zündkolben in koaxialer Beziehung zu dem Betätigungskolben
steht und in der ersten Stellung gehaltert ist, wenn sich der
Betätigungskolben in seiner jeweiligen ersten Stellung
befindet, daß der zweite Zündkolben in koaxialer Beziehung zu dem
ersten Zündkolben steht und aus einer ersten in eine zweite
Stellung bewegbar ist und daß die Haltemittel zur lösbaren
Halterung des zweiten Kolbens in der ersten Stellung unter
Ansprechen auf hydraulischen Druck lösbar sind; und in welchem
die Sprengkapsel auf die Bewegung des ersten oder zweiten
Zündkolbens anspricht und die Perforierkanone auslöst.
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Ein Zündkopf nach der vorliegenden Erfindung kann entweder
mechanisch oder hydraulisch betätigt werden. Zusätzlich kann
der Zündkopf in einer besonders bevorzugten Ausführung
mechanisch entweder durch einen Schlag auf den Zündkopf oder durch
auf einen Teil des Zündkopfes angelegten Zug betätigt werden.
Die beiden Zündkolben sind jeder aus einer ersten, "normalen",
Stellung in eine zweite Stellung bewegbar, die die Zündladung
betätigt. Vorzugsweise ist der erste Zündkolben durch Abwärts-
oder Aufwärtsbewegung des Betätigungskolbens lösbar. Dieser
Betätigungskolben enthält vorzugsweise ein Kopfteil, das den
Aufschlag einer "Go-Devil"-Detonationsstange aufnehmen kann,
oder an dem ein übergreifender oder ähnlichen Mechanismus
leicht einrasten kann. Der zweite Zündkolben spricht
vorzugsweise auf hydraulischen Druck an, der an das Innere des
Zündkopfes angelegt ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung sind der erste
und zweite Zündkopf konzentrisch zueinander und erstrecken
sich wenigstens teilweise gemeinsam; und stehen in
konzentrischer Beziehung zu dem Betätigungskolben. In dieser
Ausführung wird der erste Zündkolben in seiner ersten Stellung
durch eine Vielzahl lösbarer Segmente oder Ringe0 sicher
gehalten,
die von dem Betätigungskolben in Stellung gehalten
werden. Dagegen wird in dieser Ausführung der zweite
Zündkolben durch eine Vielzahl von Scherstiften in seiner ersten
Stellung gehalten. Dementsprechend ist, während der erste
Zündkolben nur durch Verstellung des Betätigungskolbens lösbar
ist, der zweite Zündkolben durch hydraulischen Druck lösbar,
der auf den zweiten Kolben einwirkt und die Scherbolzen
abschert.
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Zum vollständigeren Verständnis der Erfindung wird auf die
anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
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Fig. 1 eine Ausführung eines Zündkopfes nach der
vorliegenden Erfindung in einem Werkzeugstrang in Arbeitsstellung in
einem Bohrloch zeigt, die teilweise in vertikalem Schnitt
dargestellt ist;
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Fig. 2 einen Zündkopf nach Fig. 1 in größerem Detail
und in vertikalem Schnitt darstellt;
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Fig. 3 eine Ausführung eines Betätigungsmechanismus für
einen Zündkopf nach der vorliegenden Erfindung in einer
Explosionsansicht darstellt;
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Fig. 4 den Betätigungsmechanismus vor der Betätigung
zeigt, der in vertikalem Schnitt dargestellt ist;
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Fig. 5 den Betätigungsmechanismus nach Fig. 4 nach der
Betätigung durch den Aufschlag einer Detonationsstange
darstellt;
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Fig. 6 den Betätigungsmechanismus nach Fig. 4 nach der
Betätigung durch ein Übergreifglied darstellt;
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Fig. 7 den Betätigungsmechanismus nach Fig. 4 nach der
Betätigung durch Anlegen von hydraulischem Druck darstellt;
und
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Fig. 8 eine alternative Ausführung eines Zündkopfes nach
der vorliegenden Erfindung zeigt, der in einem vertikalen
Schnitt dargestellt ist.
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Es wird nun ausführlicher auf die Zeichnungen und
insbesondere auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Zündkopf 10 nach
der vorliegenden Erfindung in einer Arbeitsstellung in einem
Bohrloch dargestellt ist. Der Zündkopf 10 ist oberhalb einer
Perforierkanone 12 in einem allgemein bei 14 gezeigten
Werkzeugstrang angeordnet. Der Werkzeugstrang 14 verläuft in ein
Bohrloch 16. Der Werkzeugstrang 14 kann einen Packer 18
enthalten, um einen oberen Teil des Bohrlochs von einem unteren
Teil des Bohrlochs zu isolieren, wenn die Perforierkanone 12
an einer zu perforierenden Formation angeordnet ist. In einer
bevorzugten Ausführung ist im Werkzeugstrang 14 ein mit
Öffnungen versehenes Glied 19 enthalten, derart, daß das Innere
des Zündkopfes 10 dem Druck im Bohrloch 16 ausgesetzt ist.
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Unter Bezugnahme nun auf Fig. 2 ist darin ein
Ausführungsbeispiel des Zündkopfes 10 in vertikalem Schnitt dargestellt.
Der Zündkopf 10 enthält ein Hauptgehäuse 20, in welchem ein
allgemein bei 22 gezeigter Betätigungsmechanismus gehaltert
ist. Das Hauptgehäuse 20 kann aus einem Stück sein oder kann
Untereinheiten enthalten wie das Gehäuseglied 24, das
beispielsweise mittels einer Gewindekupplung 26 mit dem
Hauptgehäuse 20 verbunden ist. Das Hauptgehäuse 20 ist vorzugsweise
an einem unteren Ende in üblicher Weise mit der
Zündkopfuntereinheit 28 gekoppelt.
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Wie aus der folgenden Erläuterung ersichtlich wird,
enthält der Betätigungsmechanismus 22 zwei Zündkolben. Ein erster
Zündkolben 48 ist vorzugsweise durch Ringe sicher am Ort
befestigt und wird durch mechanische Betätigung eines
Betätigungskolbens 30 gelöst. Der zweite Zündkolben 62 ist vorzugsweise
mittels Scherstiften gesichert und wird durch hydraulischen
Druck gelöst. Der Betätigungsmechanismus 22 enthält einen
Betätigungskolben 30, der in einer Bohrung 32 in einem Dorn 34
gehaltert ist. Der Betätigungskolben 30 ist in Längsrichtung
gegenüber dem Dorn 34 bewegbar, aber anfänglich in einer
ersten, "normalen", Stellung durch einen Scherstift 36
gesichert. Der Betätigungskolben 30 enthält ein erstes Ende 38,
das so eingerichtet ist, daß es sowohl einen Schlag auf den
Scherstift 36 erhalten oder zum Beispiel mit einem
Übergreifglied zurückgeholt werden kann, so daß es einen
Aufwärtszug zum Abscheren des Scherstiftes 36 erhält, um dadurch
eine Längsbewegung des Betätigungskolbens 30 relativ zum Dorn
34 zu erlauben.
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Ein zweites Ende des Betätigungskolbens 30, das allgemein
bei 40 gezeigt ist, enthält ein erstes Teil 42 von
verringertem Durchmesser. Das zweite Ende 40 des Betätigungskolbens 30
enthält auch ein zweites Teil 44 von im Verhältnis zu dem
ersten Teil 42 des Betätigungskolbens 30 vergrößertem
Durchmesser. Das zweite Teil 44 des Betätigungskolbens 30 erstreckt
sich in eine Ausnehmung 46 in dem ersten Zündkolben 48. Der
Dorn 34 ist mit dem zweiten Zündkolben 62 gekoppelt. Der erste
Zündkolben 48 ist in einer festen Stellung gegenüber dem Dorn
34 und dem zweiten Zündkolben 62 durch eine Vielzahl lösbarer
Segmente oder "Ringe" 50 befestigt, die zusammenwirkend in
Ausnehmungen 54 in dem zweiten Zündkolben 62 und Öffnungen 56
in dem ersten Zündkolben 48 eingreifen. Die Ringe 50 werden
durch das vergrößerte zweiten Teil 44 des Betätigungskolbens
30 in Stellung gehalten. Der erste Zündkolben 48 enthält ein
zweites, allgemein bei 58 gezeigtes Ende, welches an der
Bohrung 60 in dem zweiten Zündkolben 62 abdichtend anliegt. Ein
Zündstift 64 ist mit dem zweiten Ende 58 des ersten
Zündkolbens 48 verbunden. Falls nichts anderes erwähnt ist, können
alle hier beschriebenen abdichtenden Anlagen durch Verwendung
üblicher Dichtungen nach Art von O-Ringen bewirkt werden.
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Der zweite Zündkolben 62 ist gleitbar und abdichtend in
einer Bohrung 66 in einer Befestigungshülse 68 aufgenommen.
Die Befestigungshülse 68 ist in einem Gehäuse 20 aufgenommen
und liegt vorzugsweise an einer Schulter 70 im Gehäuse 20 an.
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Die Befestigungshülse 68 ist beispielsweise durch einen
Sprengring 72, der in eine Aussparung im Gehäuse 20 eingreift,
im Gehäuse 20 in seiner Stellung gehaltert. In der
Befestigungshülse 68 sind eine Vielzahl von Öffnungen 76 gebildet,
die Scherstifte 78 aufnehmen. Die Scherstifte 78 greifen
gleichermaßen in Öffnungen 80 im zweiten Zündkolben 62 ein. Der
erste und zweite Zündkolben 48 bzw. 62, vorzugsweise jeder,
enthalten Öffnungen 43 bzw. 41, um eine Fluidübertragung
zwischen dem Inneren des Gehäuses 20 und der Ausnehmung 46 in dem
ersten Zündkolben 48 zu ermöglichen.
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Der Zündstift 64 enthält vorzugsweise eine sich verjüngende
Kontur, die so gestaltet ist, daß sie auf eine Sprengkapsel 82
wie eine Zündanordnung, welche abdichtend in einer Bohrung 84
in der Befestigungshülse 68 gehalten wird, aufschlägt und
diese auslöst. Die Zündanordnung 82 ist an der
Befestigungshülse 68 mittels eines Zündblocks 88 befestigt, welcher
vorzugsweise mit Bolzen an der Befestigungshülse 68 befestigt
ist. Die Befestigungshülse 68 enthält eine Öffnung 90, die
ermöglicht, daß der Strahl der durch die Zündung der
Zündanordnung 82 ausgestoßenen heißen Gase in eine Kammer 92 im Gehäuse
20 eintritt. In der Kammer 92 ist eine
Verzögerungselementanordnung 94 befestigt. Die Verzögerungselementanordnung 94 ist
an einem Aufnahmeblock 98, der abdichtend in einer Bohrung 100
im Gehäuse 20 aufgenommen ist, bei 96 schraubbar befestigt.
Die abdichtenden Anlagen des Hauptzündkolbens 48 am
Nebenzündkolben 62; des Zweitzündkolbens 62 an der
Befestigungshülse 68; des Aufnahmeblocks 98 am Gehäuse 20; und der
Befestigungshülse 68 am Gehäuse 20 dienen der Bildung von Kammern 86
und 92 (jeweils auf einer Seite der Zündladung 82), welche
unter Atmosphärendruck stehen. Dementsprechend bilden der
Zündkolben 48 und der zweite Zündkolben 62 auf Fluid
ansprechende Kolben, die auf den Druck innerhalb des Gehäuses 20
ansprechen.
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Die Verzögerungselementanordnung 94 ist eine pyrotechnische
Vorrichtung, welche auf Zündung eines inneren Zünders einige
Zeit brennt, bis sie eine Sprengladung zum Auslösen einer
Übertragungsladung auslöst, die wiederum die Perforierkanone
auslöst. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführung brennt
die Verzögerungselementanordnung 94 annähernd sieben Minuten
nach der anfänglichen Zündung. Jedoch können
selbstverständlich andere Verzögerungszeiten verwendet werden. Der Aufbau
einer Verzögerungselementanordnung, die für die Verwendung mit
der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist in U.S.A.-Patent
Nr. 4,632,034 beschrieben.
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Die Perforieruntereinheit 28, die an das untere Ende des
Gehäuses 20 gekoppelt ist, enthält eine Mittelbohrung 102.
Innerhalb der Bohrung 102 ist eine Länge einer gewöhnlichen
Zündschnur 104 explosiven Typs enthalten, welche durch die
Perforierkanone (32 in Fig. 2) verläuft und an einem ersten
Ende eine Übertragungsladung 106 enthält. Wenn die
Übertragungsladung 106 durch die Verzögerungselementanordnung 94
gezündet wird, erleichtern die Übertragungsladung 106 und die
Zündschnur 102 das Auslösen der Perforierkanone auf übliche
Weise.
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Es wird nun auf die Fig. 1-7 Bezug genommen, in denen
der Zündkopf 10 vor Betätigung und nach Betätigung durch jedes
der drei verschiedenen Verfahren gezeigt ist. Speziell wird
auf Fig. 5 Bezug genommen, in der der Zündkopf 10 nach
Betätigung durch Fallenlassen eines beschwerten Gliedes wie eines
"Go-Devil" 112 in Kontakt mit dem Betätigungskolben 30 gezeigt
wird. Wenn der Go-Devil 112 den Betätigungskolben 30 berührt,
wird der Betätigungskolben 30 in Längsrichtung abwärts bewegt.
Während der Betätigungskolben 30 abwärts bewegt wird, wird der
Ausnehmungsteil 42 des Betätigungskolbens 30 in eine sich
miteinander erstreckende Beziehung zu den Ringen 30 gebracht. Der
verringerte Durchmesser des Abschnitts 42 des
Betätigungskolbens 30 erlaubt den Ringen 50, aus dem Eingriff mit den
Ausnehmungen 54 im zweiten Zündkolben herauszufallen. Der Druck
des Ringraumfluids in dem Gehäuse 20 wirkt durch die Öffnungen
41 und 43 auf den ersten Zündkolben 48 und treibt ihn in
Längsrichtung zu einem ausreichenden Aufschlag an um zu
bewirken, daß der Zündstift 64 die Sprengkapsel 82 betätigt. In
einer bevorzugten Ausführung reicht ein Druck von 1000 psi
(6,89 MPa) aus, um den ersten Zündkolben 48 anzutreiben.
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Es wird nun speziell auf Fig. 6 Bezug genommen, in der der
Zündkopf 10 dargestellt ist, wenn er dadurch betätigt wird,
daß der Betätigungskolben zum Beispiel unter Verwendung eines
Übergreifgliedes 114 aufwärts bewegt wird. Die Betätigung auf
diese Weise ist ähnlich der Betätigung unter Verwendung eines
Go-Devil mit der Ausnahme, daß, während sich der
Betätigungskolben aufwärts bewegt, das vergrößerte Ende 54 des
Betätigungskolbens 30 aufwärts und aus der Nachbarschaft mit den
Ringen 50 heraus bewegt wird. Die Ringe 50 verstellen sich
dann aus den Ausnehmungen 54 im zweiten Zündkolben 62 heraus,
und der erste Zündkolben 48 bewegt sich abwärts und bewirkt,
daß der Zündstift 64 die Sprengkapsel 82 betätigt.
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Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, in der der Zündkopf
10 nach der Betätigung ausschließlich durch die Verwendung von
hydrostatischem Druck dargestellt ist. Wie zuvor angedeutet,
steht die Kammer 86 unterhalb der ersten und zweiten
Zündkolben 48 bzw. 62 unter atmosphärischem Druck. Ferner ist, wie
ebenfalls hierin zuvor angedeutet, der zweite Zündkolben 62
durch die Scherstifte 78 in einer ersten, oberen Stellung
gehaltert. Wenn der hydrostatische Druck an der Oberseite des
zweiten Zündkolbens 62 einen Schwellenwert erreicht, der
ausreicht, um die Scherstifte 78 abzuscheren, wird der zweite
Zündkolben 62 zusammen mit dem Dorn 34 und dem ersten
Zündkolben 48 abwärts angetrieben, so daß der Zündstift 64 in
wirksamen Kontakt mit der Sprengkapsel 82 gebracht wird. Folglich
wirkt der Betätigungsmechanismus 22 als ein Kolben in der
Befestigungshülse 68, der auf hydrostatischen Druck anspricht.
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Der Fachmann in der Technik erkennt, daß, obwohl die
Wirkungsweise des Zündkopfes 10 im Zusammenhang mit der
Verwendung von Ringraumdruck innerhalb des Gehäuses 20 zum Bewegen
des ersten und zweiten Zündkolbens 48 und 62 beschrieben
wurde, das Innere des Zündkopfes 10 statt dessen hydrostatischem
Druck im Rohrstrang ausgesetzt werden kann, um das Arbeiten
des ersten und zweiten Zündkolbens 48 und 62 zu bewirken.
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Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, in der eine
alternative Ausführung eines Zündkopfes 120 nach der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist. Der Zündkopf 120 unterscheidet sich
von Zündkopf 10 dadurch, daß der Betätigungsmechanismus 22 auf
eine Zünd-Sprengladung aufschlägt, um unmittelbar die
Perforierkanone 12 auszulösen, und nicht, um eine Zündladung zum
Start einer zeitverzögerten Auslösung der Perforierkanone 12
zu zünden, wie es bei der Ausführung nach Fig. 1 bis 7
geschah. Da der Zündkopf 120 in Aufbau und Arbeitsweise dem
Zündkopf 10 ähnlich ist, werden hier nur die wesentlichen
Unterschiede angesprochen.
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Das Gehäuse 124 des Zündkopfes 120 enthält einen
vorstehenden Rand 126, auf dem ein Zündblock 128 sitzt. Der Zündblock
128 enthält eine Mittelbohrung 130, in welcher eine
gewöhnliche Sprengkapsel 122 untergebracht ist. Die Sprengkapsel 122
ist in der Bohrung 130 abgedichtet, zum Beispiel durch O-Ringe
132, um sicherzustellen, daß die Kammer 86 unter
Atmosphärendruck steht. Der Zündblock 128 kann im Gehäuse 124 mit einem
Haltering 134 oder jedem anderen üblichen Mittel gehaltert
werden. Der Auslöser 122 wird vorzugsweise durch einen
Haltering 136 im Zündblock 128 gehaltert. Die Funktion des
Betätigungsmechanismus 22 des Zündkopfes 120 ist identisch mit der,
die zuvor in Bezug auf den Zündkopf 10 nach Fig. 1 bis 7
beschrieben wurde. Somit wurden drei alternative
Betätigungsverfahren bereitgestellt, um einen Zündkopf 120 zu betätigen
und dadurch die Perforierkanone unmittelbar auszulösen.