Способы, устройства и системы электронной задержки времени - RU2439482C2

Чертежи

Показать все 13 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение, в различных вариантах осуществления, относится, в общем, к устройствам задержки времени и, более конкретно, к устройствам, содержащим электронный блок задержки времени, подходящий для использования в инициировании подрыва взрывчатых веществ и ракетного топлива, а также к системам, включающим в себя электронную систему задержки времени и способам их работы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Перфорирующие системы, используемые для заканчивания нефтегазовых скважин, известны в технике. Стволы скважин, которые бурят сквозь геологические пласты для извлечения углеводородов в виде нефти и газа, обычно обсаживают посредством спуска в скважину стальной обсадной колонны или хвостовика и цементируют, по меньшей мере, участок обсадной колонны или хвостовика по месту для предотвращения перетекания текучих сред высокого давления вверх вдоль ствола скважины снаружи обсадной колонны или хвостовика. Подземный пласт или пласты с потенциалом для добычи углеводородов напрямую соединяют с внутренним объемом обсадной колонны или хвостовика путем выполнения отверстий, именуемых перфорационными каналами и проходящими в пласт сквозь стенку колонны или хвостовика и окружающий цемент. Перфорационные каналы обычно выполняют посредством подрыва кумулятивных зарядов взрывчатого вещества, расположенных внутри обсадной колонны на месте работы, примыкающем к пласту, из которого предстоит добывать нефть или газ. Кумулятивные заряды выполнены с возможностью направления энергии взрыва взрывчатого вещества в сфокусированную, узкую струю, называемую "кумулятивной струей" для создания отверстий в обсадной колонне.

Обычно, системы перфорирования в скважине включают в себя головку управления стрельбой и стреляющий перфоратор, которые подвешивают и спускают в скважину на спускоподъемном устройстве, представляющем собой трубчатую колонну, которая может содержать так называемую "гибкую насосно-компрессорную трубу". Системы перфорирования в скважине также обычно содержат различные компоненты, включающие в себя, например, пакер, центральный контакт сети стрельбы, дополнительный детонатор заряда, и устройство задержки времени. Устройство задержки времени необходимо для предоставления оператору достаточного времени между событием герметизации и последующим событием перфорирования для выравнивания давления в скважине для перфорирования, чтобы достичь нормального притока нефти или газа в скважину. Выравнивание давления скважины является важным процессом, поскольку если его не удается выполнить или если процедура выполнена некорректно, это может привести к повреждению оборудования, а также возможным травмам среди операторов оборудования, если недостаточное гидростатическое давление имеется в обсадной колонне или хвостовике или если имеется слишком большое гидростатическое давление, продуктивный пласт, открываемый работой перфорирования, можно повредить и добычу можно нарушить или воспрепятствовать добыче без восстановительных мероприятий. Кроме того, в правильно уравновешенной скважине, текучая среда продуктивного пласта должна немедленно и быстро начинать фонтанировать вверх через внутренний объем трубчатой колонны к поверхности земли в надлежащем, управляемом режиме. Поэтому важно, чтобы используемое устройство временной задержки было надежным и точным для обеспечения адекватного времени для выравнивания давления в скважине. В устройствах задержки времени, используемых в технике в настоящее время, применяют пиротехнические огнепроводные шнуры задержки времени. Как более подробно описано ниже, устройства задержки времени на основе пиротехнического огнепроводного шнура имеют проблемы по надежности и точности, а также ограничения по времени, последствием которых может стать повышенная сложность и увеличение расходов для заказчиков нефтепромысловых инструментов.

На фигуре 1 показана обычная система 20 перфорирования скважины в скважине 10. Скважина 10 построена бурением ствола 12 скважины, в который спущена обсадная колонна 14 скважины и зацементирована по месту, как показано позицией 16. Среди других компонентов трубчатая колонна 22 несет стреляющий перфоратор 34, механическое разъединяющее устройство 28, пакер 24 и головку 32 управления стрельбой. Стреляющий перфоратор 34 и головку 32 управления стрельбой спускают на трубчатой колонне 22 на выбранное место работы в скважине 10, примыкающее к подземному пласту 18, осуществления добычи. Пакер 24 создает уплотнение между внешней поверхностью трубчатой колонны 22 и стенкой 38 обсадной колонны 14 для образования кольцевого пространства 40 над пакером 24 и изолированной зоны 42 под пакером 24. Перфорирующая система 20 также включает в себя выпускное отверстие 56, размещенное под пакером 24. Выпускное отверстие 56 обеспечивает прямую связь между изолированной зоной 42 и каналом 58 насосно-компрессорной трубы для обеспечения по существу выравнивания давлений текучей среды в канале 58 насосно-компрессорной трубы и изолированной зоне 42. В момент времени, назначенный для стрельбы стреляющим перфоратором 34, приводной поршень 50 в головке управления стрельбой 32 перемещается под воздействием увеличения давления текучей среды в трубчатой колонне 22, инициированного оператором. Перемещение поршня 50 высвобождает центральный контакт 52 сети стрельбы, инициируя последовательность стрельбы.

Как упомянуто выше, обычные перфорирующие системы могут предусматривать пиротехническое устройство 30 задержки времени, размещенное в головке 28 управления. Пиротехническое устройство 30 задержки времени создает задержку времени между инициированием головки 28 управления стрельбой и последующей стрельбой кумулятивными зарядами, которые несет стреляющий перфоратор 34 для осуществления вышеописанного выравнивания давления скважины 10 для оптимального перфорационного канала. Пиротехнические устройства задержки времени, известные в уровне техники, создают максимальную задержку времени в восемь минут. Поэтому, для получения более длительных задержек, оператор вынужден связывать вместе несколько пиротехнических устройств задержки времени в ряд. Например, дополнительные устройства задержки можно соединить вместе для получения реле времени с более длительной задержкой.

Вследствие расходов времени и стоимости, связанных с перфорированием стволов скважин и взрывной мощности используемых устройств, важно, чтобы их работа была надежной и точной. Связывание вместе нескольких пиротехнических устройств задержки времени уменьшает надежность системы и увеличивает ее стоимость и сложность.

Существует необходимость создания способов и устройств для обеспечения повышенной надежности и гибкости работы системы перфорирования скважины. В частности, существует необходимость создания устройства задержки времени, используемого в перфорирующей системе скважины, обеспечивающего адекватную и точную синхронизацию работы перфорирующей системы скважины для выравнивания давления в скважине для получения оптимальных результатов перфорирования. Такое устройство задержки времени должно демонстрировать высокий уровень надежности при низком уровне цены и уменьшенной сложности изготовления.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вариант осуществления настоящего изобретения содержит устройство задержки времени, содержащее входной блок, включающий в себя элемент, установленный с возможностью смещения для включения соединения с источником энергопитания. Устройство задержки времени дополнительно включает в себя электронную цепь задержки времени, функционально соединенную с входным блоком и выполненную с возможностью создания задержки времени с реагированием на включенное соединение с источником энергопитания и инициирования команды стрельбы по завершении задержки времени. Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя систему перфорирования в скважине, включающую в себя устройство спуска в скважину, стреляющий перфоратор, подвешенный на устройство спуска, головку управления стрельбой, подвешенную на средстве спуска и функционально соединенную со стреляющим перфоратором, и устройство задержки времени в головке управления стрельбой. Устройство задержки времени включает в себя входной блок, включающий в себя элемент, установленный с возможностью смещения для включения соединения источника электропитания, электронную цепь задержки времени, функционально соединенную с входным блоком и выполненную с возможностью создания задержки времени с реагированием на включенное соединение источника питания и инициирования команды стрельбы после завершения задержки времени.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя способ использования электронного устройства задержки времени в системах, использующих взрывчатые вещества или ракетное топливо. Способ содержит приложение внешней силы к элементу для смещения элемента, реагирующего на внешнюю силу, соединение источника электропитания с электронной цепью задержки времени, реагирующей на смещение элемента, создание электронной задержки времени с реагированием на соединение источника электропитания; и увеличение напряжения от источника электропитания до заданного, превышающего пороговое, напряжения стрельбы после электронной задержки времени.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя устройство задержки времени, содержащее входной блок, включающий в себя элемент, установленный с возможностью смещения для включения соединения источника электропитания и электронной цепи задержки времени. Электронная цепь задержки времени включает в себя изолирующий элемент, выполненный с возможностью электрической изоляции источника электропитания от электронной цепи задержки времени, функционально соединенной с входным блоком и выполненной с возможностью создания задержки времени с реагированием на включенное соединение не изолированного источника электропитания и инициирования команды стрельбы после завершения задержки времени. Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя систему перфорирования в скважинах, включающую в себя устройство спуска в скважину, стреляющий перфоратор, подвешенный на устройство спуска, головку управления стрельбой, подвешенную на устройство спуска и функционально соединенную со стреляющим перфоратором, и устройство задержки времени в головке управления стрельбой. Устройство задержки времени включает в себя входной блок, включающий в себя элемент, установленный с возможностью смещения для включения соединения источника электропитания и электронной цепи задержки времени. Электронная цепь задержки времени включает в себя изолирующий элемент, выполненный с возможностью электрической изоляции источника электропитания от электронной цепи задержки времени, функционально соединенной с входным блоком и выполненной с возможностью создания задержки времени с реагированием на включенное соединение не изолированного источника электропитания и инициирования команды стрельбы после завершения задержки времени. Еще один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя способ выключения из работы электронной цепи задержки времени. Способ содержит создание изолирующего элемента, соединяющего между собой источник электропитания и электронную цепь задержки времени и изолирующего источник электропитания от электронной цепи задержки времени, с реагированием на контакт с жидкостью компонента изолирующего элемента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фигуре 1 показано сечение обычной перфорирующей системы в скважине;

На фигуре 2 показано сечение системы с взрывчатыми веществами или ракетным топливом, выполненной как перфорирующая система в скважине согласно варианту осуществления изобретения;

На фигуре 3 показано сечение электронного блока задержки времени согласно варианту осуществления изобретения;

На фигуре 4 показано сечение компоновочного узла центрального контакта согласно варианту осуществления изобретения;

На фигуре 5 показана блок-схема электронной цепи задержки времени согласно варианту осуществления изобретения;

На фигуре 6 показана блок-схема работы электронного блока задержки времени согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

На фигурах 7A-7F показан компонент отсечки воды согласно варианту осуществления изобретения; и

На фигуре 8 показана блок-схема электронной цепи задержки времени, включающей в себя компонент отсечки воды согласно варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение в различных вариантах осуществления содержит устройства и способы управления работой электронного блока задержки времени, подходящего для использования в системе с взрывчатыми веществами или ракетным топливом, выполненной, в виде не ограничивающего примера, как перфорирующая система в скважине, с возможностью разрешения проблем надежности, а также стоимости и сложности, связанных с обычными устройствами задержки времени.

В следующем описании цепи и функции могут быть показаны в форме блок-схемы, чтобы не затенять настоящее изобретение ненужными деталями.

Напротив, показанные и описанные конкретные варианты реализации цепей являются только примерами и не должны восприниматься как единственный путь реализации настоящего изобретения, если в данном документе иное не оговорено. Кроме того, обозначения блоков и разделение логической схемы между различными блоками являются примером конкретной реализации. Специалисту в данной области техники должно быть сразу ясно, что настоящее изобретение можно практически осуществить с другими решениями по разделению. По большей части, детали, относящиеся к вопросам синхронизации, им подобные, опущены, в случае если такие детали не являются необходимыми для получения полного понимания настоящего изобретения для специалистов обычной квалификации в области техники, относящейся к изобретению.

В данном описании некоторые чертежи могут показывать сигналы как один сигнал для ясности представления и описания. Специалисту в данной области техники должно быть сразу ясно, что сигнал может представлять информационную шину сигналов, в которой шина может иметь разную битовую ширину, и настоящее изобретение можно реализовать для любого числа сигналов передачи данных, включающих в себя одиночный сигнал передачи данных.

В описании вариантов осуществления настоящего изобретения системы и элементы, содержащие варианты осуществления изобретения, описаны для облегчения улучшенного понимания функций описанных вариантов осуществления изобретения, поскольку его можно реализовать в данных системах и элементах.

На фигуре 2 показан вариант осуществления системы с взрывчатыми веществами или ракетным топливом, выполненной как система 110 перфорирования в скважинах, размещенная в скважине 102. Скважина 102 построена с бурением ствола 108 скважины, в который спущена обсадная колонна 104 и зацементирована по месту, как показано позицией 106. Скважина 102 пересекает подземный пласт 120, из которого необходимо добывать углеводороды, такие как нефть и/или газ. Система 110 включает в себя устройство 136 спуска в скважину, спущенное по оси внутри обсадной колонны 104. Устройство 136 спуска может представлять собой любое подходящее устройство, такое как каротажный кабель, тросовый канат, колонна насосно-компрессорной трубы, гибкая насосно-компрессорная труба, и тому подобное. Как показано, устройство 136 спуска содержит трубчатую колонну и, для простоты и ясности описания, будет именоваться в данном документе колонной насосно-компрессорной трубы. Колонна 136 насосно-компрессорной трубы проходит от буровой установки на поверхности через обсадную колонну 104 и компоненты системы перфорирования в скважине, такие как пакер 132, механическое разъединяющее устройство 130, головка управления стрельбой 128 и стреляющий перфоратор 124, расположены на ее нижнем или дальнем конце.

Пакер 132 создает структуру для уплотнения между внешней поверхностью колонны 136 насосно-компрессорной трубы и стенкой 112 обсадной колонны 104, которую можно также именовать стенкой канала обсадной колонны или стенкой 112 ствола скважины. Получившееся в результате уплотнение создает кольцевое пространство 138 скважины между колонной насосно-компрессорной трубы 136 и стенкой 112 ствола скважины над пакером 132 и изолированную зону 116 скважины 102 под пакером 132. Система 110 перфорирования также включает в себя выпускное отверстие 140, размещенное под пакером. Выпускное отверстие 140 обеспечивает гидравлическую связь между изолированной зоной 116 и каналом 142 насосно-компрессорной трубы для обеспечения по существу выравнивания давлений текучей среды в канале 142 насосно-компрессорной трубы и изолированной зоне 116.

Стреляющий перфоратор 124 подвешен на колонне 136 насосно-компрессорной трубы в изолированной зоне 116, примыкающим к подземному пласту 120, подлежащему перфорированию. Стреляющий перфоратор 124 выполнен с возможностью подрыва и стрельбы кумулятивными зарядами для создания отверстий, или перфорационных каналов 122, в обсадной колонне 104, проходящих в окружающие цемент 106 и пласт 120. На фигуре 2 показана перфорирующая система скважины в момент времени, следующий после подрыва стреляющего перфоратора 124; поэтому обсадная колонна 104, цемент 106 и пласт 120 включают в себя перфорационные каналы 122, проходящие в них. Когда колонна 136 насосно-компрессорной трубы и компоненты перфорирующей системы скважины первый раз спускают в скважину 102, перфорационных каналов 122, показанных на фигуре 2, не будет. Механическое разъединяющее устройство 130 позволяет оператору сбросить стреляющий перфоратор 124 на забой скважины 102 после стрельбы стреляющим перфоратором 124.

Головка управления стрельбой 128 также подвешена на колонне 136 насосно-компрессорной трубы и размещена над стреляющим перфоратором 124. Головка управления стрельбой 128 включает в себя, среди других компонентов, электронный блок задержки времени 126 согласно варианту осуществления изобретения. Как описано подробно ниже, электронный блок 126 задержки времени 126 создает несколько элементов безопасности, включающих в себя различные элементы изоляции цепей и спусковых устройств, а также элементы механической изоляции. Кроме того, электронный блок 126 задержки времени создает задержку времени для предоставления оператору достаточного времени для выравнивания давления в скважине 102 для оптимального перфорирования. Иначе говоря, задержка времени обеспечивает оператору время для изменения давления в изолированной зоне 116 в соответствие с требованиями пластовых текучих сред в пласте 120. Электронный блок 126 задержки времени создает возможность данной задержки времени, обеспечивая более длительные задержки времени с большим выбором в сравнении с взрывателями с обычной пиротехнической задержкой времени. Только в качестве примера, электронный блок 126 задержки времени может создавать выбранные задержки времени продолжительностью, например, по меньшей мере, до десяти часов.

На фигуре 3 показан электронный блок 126 задержки времени согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как описано и показано подробно ниже, электронный блок 126 задержки времени обеспечивает существенно улучшенные функции перфорирующей системы скважины, включающие в себя создание надежной и увеличенной задержки времени, увеличение продолжительности задержки времени, и создание элементов безопасности, включающих в себя изоляцию цепи и инициатора дополнительного детонатора заряда.

Как показано на фигуре 3, электронный блок 126 задержки времени может включать в себя входной модуль 206, электронную цепь 212 задержки времени и выходной модуль 208. Входной модуль 206 может быть выполнен как компоновочный узел центрального контакта, а выходной модуль 208 может быть выполнен как компоновочный узел дополнительного детонатора заряда. Электронная цепь 212 задержки времени содержится в центральном трубчатом корпусе 204, который может быть прикреплен, например, лазерной сваркой к входному модулю 206 и выходному модулю 208 в местах 202 и 203 соответственно. Только для примера, трубчатый корпус 204 может быть выполнен из стали с эластичными фиксаторами 260 на каждом конце трубчатого корпуса 204. Эластичные фиксаторы 260 создают механическую опору, а также электрическую и механическую изоляцию электронной цепи 212 задержки времени. Выходной модуль 208, который будет описан более подробно ниже, можно выполнить с возможностью создания выходной мощности подрыва для запуска последующей стрельбы стреляющего перфоратора 124 (смотри фигуру 2).

На фигуре 4 показан входной модуль 206 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Входной модуль 206, как показано, содержит центральный контакт сети стрельбы 301, узел 302 срезной чеки и узел 305 контакта, которые несет корпус 328 с проходящим в нем каналом 324 центрального контакта сети стрельбы, причем каналом 324 центрального контакта сети стрельбы, переходящим в канал меньшего промежуточного диаметра 330 и затем увеличивающимся в диаметре на узле 305 контакта. Узел 302 срезной чеки может включать в себя одиночную срезную чеку 712, проходящую поперек корпуса 328, или может содержать срезную чеку двойной конфигурации, содержащую первую срезную чеку 712 и вторую срезную чеку 710, обе проходящие в центральный контакт 301 сети стрельбы. Узел 302 срезной чеки проходит с первой стороны 320 на вторую сторону 322 входного модуля 206 через центральный контакт 301 сети стрельбы и отверстия 334 диафрагмы в стенке корпуса 328. В качестве примера, узел 302 срезной чеки может содержать чеку в виде спиральной пружины. Узел 305 контакта может включать в себя первый узел 308 контакта, второй узел 310 контакта, кольцевой контакт 304, проходящий как через первый, так и через второй узлы 308, 310 контакта. Подводящие провода 312 и 314 могут выступать из одного конца входного модуля 206 и могут функционально соединяться с электронной цепью 212 задержки времени (смотри фигуру 3). Подводящий провод 312 соединен с кольцевым контактом 304, который несет первый узел 308 контакта, а подводящий провод 314 соединен с кольцевым контактом 304, который несет второй узел 310 контакта.

Центральный контакт 301 сети стрельбы, расположенный в канале 324 центрального контакта сети стрельбы, имеет продольную ось L и может включать в себя штыревой контакт 306, размещенный выступающим из одного конца центрального контакта 301 сети стрельбы. Противоположный конец 300 центрального контакта 301 сети стрельбы выполнен с возможностью приема задающего воздействия для стрельбы от внешней силы, такой, например, как гидравлическое давление в изолированной зоне 116 или сила удара сброшенного груза. Как показано, центральный контакт 301 сети стрельбы выполнен для приведения в действие давлением и включает в себя кольцевое уплотнение 336, расположенное вокруг него в кольцевом пазу 338. Достаточная внешняя сила, действующая на центральный контакт 301 сети стрельбы и, конкретно, на его конец 300, срезает чеки 710, 712 узла 302 срезной чеки и дает возможность центральному контакту 301 сети стрельбы сместиться вправо (как показано на чертеже) или вниз в системе 110 перфорирования в скважине (смотри фигуру 2) и к узлу 305 контакта. После смещения центральный контакт 301 сети стрельбы может проходить фиксированное расстояние вниз по входному модулю 206, останавливаясь на кольцевой стенке 326, что может затем обеспечить дополнительное выдвижение штыревого контакта 306 в узел 305 контакта. После входа в узел 305 контакта, штыревой контакт 306 сцепляет оба электрических контакта 304 и действует, как замыкатель S, соединяющий источник 408 электропитания с электронной цепью 212 задержки времени (смотри фигуру 5). Для краткости и упрощения описания, источник 408 электропитания будем именовать в данном документе батареей 408. После соединения батареи 408 должно включиться электропитание электронной цепи задержки времени 212 и должна начаться необходимая, выбранная задержка времени. Источник 408 электропитания может также содержать вместо батареи устройство сохранения электроэнергии в виде конденсатора, или энергию можно подавать из внешнего источника электропитания. Тип используемого источника 408 электропитания не является существенным для практического осуществления настоящего изобретения, и оптимальные типы источников электропитания могут меняться в конкретных вариантах осуществления и практического применения изобретения.

Как описано выше, входной модуль 206 действует как электрический замыкатель, требующий внешней силы или задающего воздействия для приведения в действие. Такая конфигурация создает существенный элемент безопасности посредством изоляции батареи 408 от электронной цепи 212 задержки времени (фигура 5) до приложения удовлетворительной внешней силы или задающего воздействия. Поэтому какой-либо шанс для преждевременного подрыва, по существу, исключен. Тип и величина требуемой внешней силы или задающего воздействия могут изменяться согласно вариантам осуществления и практического применения настоящего изобретения и не ограничиваются приложением давления или силы удара, рассмотренными выше.

На фигуре 5 показана блок-схема электронной цепи 212 задержки времени согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как описано ниже, цепь 212 содержит электронное устройство 500 задержки времени, соединенное с цепью 502 напряжения стрельбы. Цепь 212 также содержит батарею 408 и терминал VDD подачи напряжения. Как описано выше для фигуры 4, батарею 408 можно избирательно соединять с терминалом VDD подачи напряжения с помощью электрического замыкателя S, создаваемого электрическими контактами 304, взаимодействующими со штыревым контактом 306. Когда штыревой контакт 306 соединяется с кольцевым контактом 304, батарея 408 соединяется с терминалом VDD подачи напряжения, таким образом соединяя устройство 500 задержки времени и цепь 502 напряжения стрельбы с батареей 408. Только в качестве примера, батарея 408 может подавать постоянный ток с напряжением в открытой цепи ниже 10 В, при этом одно подходящее напряжение составляет около 3,90 В (напряжения постоянного тока).

Электронное устройство 500 задержки времени содержит генератор 402 колебаний, генерирующий колебания с выбранной частотой и функционально соединенный со счетным устройством 417. Генератор 402 колебаний и счетное устройство 417 выполнены с возможностью подсчета необходимой задержки времени. В качестве примера, и не в качестве ограничения, генератор 402 колебаний может содержать кварцевый генератор колебаний на 75 кГц. Счетное устройство 417 может содержать, только в качестве примера, пару устройств 414, 415 CD4060B, сдвоенных счетных устройств/делителей, предлагаемых компанией Texas Instruments, Dallas, Texas. В зависимости от необходимой задержки времени можно использовать одиночное счетное устройство или несколько счетных устройств можно соединить вместе в ряд для получения более длительной задержки. Например, если необходима задержка времени в 8 минут, можно использовать одиночное счетное устройство на 8 минут. Аналогично, если необходима задержка времени в 30 минут, можно использовать счетное устройство на 30 минут. С другой стороны, если счетного устройства на 30 минут в наличии нет, можно соединить в ряд пару счетных устройств с общей задержкой времени 30 минут в суммирующей конфигурации для подсчета необходимой задержки. Только для примера, одно счетное устройство/делитель на 21 минуту можно соединить со счетным устройством на 10 минут, или альтернативно, два счетных устройства на 15 минут можно соединить вместе для получения необходимой задержки в 30 минут. Альтернативно, можно соединить в ряд пару счетных устройств в конфигурацию умножителя для получения необходимой задержки времени. Только для примера, если необходима задержка времени в 30 минут с использованием конфигурации умножителя, первое устройство отсчитает 15 минут и по завершении 15 минут второе устройство даст прирост величины первого. Последовательно, первое устройство вновь отсчитает 15 минут и по завершении, второе даст прирост величины второго. Поэтому, в примере конфигурации умножителя, с генератором колебаний на 75 кГц, первое устройство требуется только для подсчета до 15 минут (67500000 циклов синхронизации), а второе устройство требуется только для подсчета значения двух вторых (150000 циклов синхронизации).

В одном варианте осуществления генератор 402 колебаний может содержать генератор колебаний с кварцевым кристаллом и счетное устройство 417 может содержать, по меньшей мере, одно сдвоенное счетное устройство/делитель CD4060B с 14 триггерными ступенями. В данном варианте осуществления, с генератором колебаний с частотой 75 кГц, можно иметь частоту 4,577 Гц (с периодом 0,21845 секунд) на выходе четырнадцатой ступени первого сдвоенного счетного устройства/делителя CD4060B (то есть 75000 Гц/2^Λ14=4,577 Гц). Дополнительно к этому, можно использовать второе сдвоенное счетное устройство/делитель CD4060B и приращения времени 0,21845 можно затем подсчитать в сдвоенных ступенях. Со счетным устройством 417 пик последней триггерной ступени, который можно использовать для подачи сигнала команды стрельбы, должен появиться после завершения предыдущей триггерной ступени. Поэтому максимальная возможная задержка времени, которую можно получить с использованием двух сдвоенных счетных устройств/делителей CD4060B и с генератором колебаний на кварцевом кристалле с частотой 75 кГц составляет 1790 секунд (2^Λ13×0,21845 секунд). С использованием двух сдвоенных счетных устройств/делителей CD4060B и генератора колебаний на кварцевом кристалле с частотой 75 кГц, задержку времени в 895 секунд можно получить на выходе тринадцатой ступени и задержку времени в 448 секунд можно получить на выходе двенадцатой ступени.

Для необходимых задержек времени между 30 и 60 минут можно использовать генератор колебаний на кварцевом кристалле с частотой 36 кГц. Для необходимых задержек времени между 60 и 90 минут можно использовать генератор колебаний на кварцевом кристалле с частотой 25,6 кГц. Для задержек времени более 90 минут, можно использовать третье сдвоенное счетное устройство/делитель CD4060B. Таким образом, можно выбирать генератор колебаний на кварцевом кристалле в зависимости от требуемых задержек времени.

В отличие от обычных пиротехнических задержек времени вариант осуществления изобретения может, только в качестве примера, обеспечивать задержки времени от малой продолжительности, такой как 8 минут, до гораздо большей продолжительности, например, в несколько часов. Такая возможность уменьшает стоимость и сложность и увеличивает надежность и гибкость работы в сравнении с обычными пиротехническими устройствами задержки времени с огнепроводными шнурами, поскольку требуется только один блок и одна установка задержки времени, и требуется только одно событие передачи детонации. Кроме того, вследствие высокого уровня точности электронных компонентов, точность синхронизации и электронной задержки времени улучшается по сравнению с обычной пиротехнической задержкой времени с огнепроводными шнурами, которые могут иметь проблемы от непредсказуемой скорости горения. Как показано на фигуре 5, электронное устройство 500 задержки времени функционально соединено с транзистором 416 высоковольтного генератора, который может действовать как переключатель и поэтому функционально соединен с трансформатором 420. Трансформатор 420 в свою очередь функционально соединен с умножителем 404 напряжения. Как пример, не являющийся ограничением, трансформатор 420 можно выполнить с возможностью генерирования напряжения около 550 В переменного тока с рабочей частотой 25 кГц от ввода 3 В постоянного тока, такого как батарея на 3 В. Умножитель 404 может включать в себя удвоитель напряжения, содержащий конфигурацию пары диод/конденсатор, выполненной с возможностью генерирования напряжения для пускового импульса от ввода переменного тока (1300 В максимум с батареи 3,3 В). Умножитель 404 напряжения функционально соединен с конденсаторами 504 стрельбы, которые затем функционально соединены со стороной ввода спускового устройства 406. Конденсаторы 504 стрельбы содержат, например, 3 параллельных конденсатора на 0,1 µF, заряжаемые через сопротивление на 22 МОм и выполненные с возможностью создания импульса стрельбы по существу 600 В (620В+/-50В). Выходная сторона спускового устройства 406 функционально соединена с инициирующим зарядом 418, который затем функционально соединен компоновочным узлом 208 промежуточного детонатора (смотри фигуру 3). В качестве примера, и не в качестве ограничения, спусковое устройство 406 может содержать газоразрядную трубку, не проводящую ток, пока (в описанном варианте осуществления) уровень напряжения, по существу, 600 В (620В+/-50В) или выше не будет приложен к трубке. В некоторых случаях может быть необходимо, чтобы спусковое устройство 406 или газоразрядная трубка содержала разные напряжения пробоя. Поэтому в одном варианте осуществления умножитель 404 напряжения может содержать учетверитель напряжения, выполненный с возможностью генерирования напряжения по существу 2500 В.

Теперь должна быть описана работа цепи 212, показанной на фигуре 5. После того, как штыревой контакт 306 во входном модуле 206 соединяет оба электрических контакта 304 (смотри фигуру 4), батарея 408 соединяется с цепью 212, таким образом запуская необходимую выбранную задержку времени. Необходимая выбранная задержка времени создается с использованием генератора 402 колебаний, связанного со счетным устройством 417. Как описано выше, задержку времени можно программировать или заранее выбирать с использованием одного или нескольких счетных устройств/делителей для производства необходимой задержки времени. После завершения необходимой выбранной задержки времени, электронное устройство 500 задержки времени выдает команду стрельбы на входе транзистора 416 генератора высокого напряжения. Затем напряжение батареи на узле 514 входит в трансформатор 420 и трансформатор 420 генерирует первое промежуточное напряжение на узле 516, которое существенно больше, чем напряжение батареи на узле 514. После этого, первое промежуточное напряжение на узле 516 входит в умножитель 404 напряжения и умножитель 404 напряжения генерирует второе промежуточное напряжение на узле 518, которое существенно больше, чем первое промежуточное напряжение на узле 518. Конденсаторы 504 стрельбы затем заряжаются и, после достижения порогового пускового напряжения в точке 520, конденсаторы 504 стрельбы выдают импульс на инициирующий заряд 418 через спусковое устройство 406. Только в качестве примера, спусковое устройство 406 может иметь напряжение пробоя 600 В. Поэтому, когда напряжение в пусковых конденсаторах 504 достигает 600 В, спусковое устройство 406 пробивается и напряжение прикладывается через спусковое устройство 406 к инициирующему заряду 418, инициирующее затем дополнительный детонатор заряда, содержащийся в компоновке 208 узла промежуточного детонатора (смотри фигуру 3).

Спусковое устройство 406 обеспечивает существенный признак безопасности варианта осуществления изобретения изоляцией инициирующего устройства 418 от цепи 212, что в свою очередь обеспечивает изоляцию и безопасность от электростатического разряда (ESD) и паразитного напряжения, результатом которого может явиться преждевременная детонация. Как дополнительный признак безопасности, генератор 402 колебаний цепи 212 можно выполнить с возможностью продолжения генерирования колебаний после окончания задержки времени и после приложения напряжения на инициирующий заряд 418. Поэтому любая остаточная энергия, хранящаяся в батарее 408, должна быть израсходована заряжающимся и разряжающимся генератором колебаний. Кроме того, один вариант осуществления изобретения может содержать резистор 522, функционально присоединенный между батареей 408, и наземным источником, и стабилизатор напряжения VSS. Поэтому любую остаточную энергию, хранящуюся в батарее 408, можно слить на наземный источник и стабилизатор напряжение VSS через резистор 522.

В то время как один вариант осуществления электронной цепи задержки времени 212 показан на фигуре 5, различные другие схемы цепей, включающие в себя цепь запуска устройства задержки времени и напряжения, находятся в объеме изобретения.

Возвращаясь к показанному на фигуре 3, в одном варианте осуществления изобретения выходной модуль 208 обеспечивает выход энергии детонации для инициирования стреляющего перфоратора 124 (смотри фигуру 2). Выходной модуль 208 может содержать выходной заряд 250 и первичный заряд 252. Только в качестве примера, компоновочный узел 208 промежуточного детонатора может содержать 730 миллиграмм (мг) гексанитростильбена (HNS) выходного заряда 250 и 200 мг азида свинца первичного заряда 252. Для примера, и не в качестве ограничения, компоновочный узел 208 промежуточного детонатора можно выполнить так, чтобы после подрыва инициировать цепную реакцию последующих взрывчатых веществ или ракетного топлива.

На фигуре 6 показана блок-схема последовательности операций варианта осуществления способа работы электронного блока 126 задержки времени. После спуска системы перфорирования в скважине в скважину и когда процесс извлечения нефти или газа готов начаться, как описано выше, внешняя сила прикладывается к входному модулю 206, размещенному в головке управления стрельбой. Внешняя сила, действующая на центральный контакт сети стрельбы входного модуля 206, обуславливает срез одной или нескольких срезных чек в блоке 604, что позволяет центральному контакту сети стрельбы сместиться во входном модуле 206 и соединить батарею с электронной цепью задержки времени. Электронная цепь задержки времени затем запитывается электроэнергией и в блоке 604 запускается необходимая задержка времени. После отсчета генератором колебаний, в соединении со счетным устройством задержки времени в блоке 606, команда стрельбы выдается на вход транзистора генератора высокого напряжения в блоке 608. После этого, первое напряжение, существенно превышающее напряжение батареи, генерируется трансформатором в блоке 610. Умножитель напряжения затем генерирует второе напряжение, существенно превышающее первое промежуточное напряжение в блоке 612. Пусковые конденсаторы затем заряжаются в блоке 614, и после достижения напряжения стрельбы спусковое устройство пробивается и электрический импульс прикладывается к инициирующему заряду в блоке 616, который затем инициирует дополнительный детонатор заряда в блоке 618.

Вновь рассматривая показанное на фигуре 2, после выравнивания давления в скважине 10 во время задержки времени и стрельбы стреляющего перфоратора 124, текучие среды из продуктивного пласта под пластовым давлением должны быстро вытекать из пласта 120 в изолированную зону 116 через выпускное отверстие 140 и вверх по колонне 136 насосно-компрессорной трубы к земной поверхности.

На фигурах 7A-7D и фигурах 7E-7F соответственно показаны вид сверху и вид сбоку элемента 702 изоляции цепи, который можно включить в состав в электронную цепь 212 задержки времени, описанную со ссылками на фигуру 5. Элемент 702 изоляции цепи можно выполнить таким, чтобы после контакта его компонентов с водой или другой жидкостью (такой, например, как буровая текучая среда или "раствор") он электрически изолировал схему цепи, функционально соединенную с ним, от источника электропитания. Для краткости и простоты описания, элемент 702 изоляции цепи будет именоваться в данном документе отсекающим воду компонентом 702. Как показано на фигуре 7A, отсекающий воду компонент 702 может включать в себя отсекающий воду корпус 703. Только в качестве примера, отсекающий воду корпус 703 может содержать пластмассовый корпус и может быть рассчитан на работу при температуре до 180ºC. Кроме того, отсекающий воду компонент 702 может включать в себя токопроводящий ввод 706 и токопроводящий вывод 708. Как описано ниже со ссылками на фигуру 8, токопроводящий ввод 706 может быть функционально соединен с батареей 408 и токопроводящий ввод 708 может функционально соединяться с цепью 212' задержки времени. Отсекающий воду компонент 702 может также включать в себя держатель 704 брикета, выполненный с возможностью размещения брикета 710 (смотри фигуры 7B-7D). Брикет 710 может, только в качестве примера, прикрепляться к держателю 704 брикета эпоксидом, рассчитанным на работу при температурах до 260°C. Только в качестве примера, брикет 710 может содержать спрессованный, обезвоженный пористый целлюлозный материал диаметром 5 мм и толщиной в спрессованном состоянии между по существу 0,8-1,0 мм. Дополнительно к этому, пористый матерчатый материал брикета 710 можно выполнить с возможностью существенного увеличения по толщине после вхождения в контакт с водой или другой жидкостью. Только в качестве примера, брикет 710 можно выполнить с возможностью существенного увеличения по толщине в десять раз от толщины в спрессованном состоянии после воздействия воды.

Как показано на фигуре 7C, токопроводящий ввод 706 и токопроводящий вывод 708 можно функционально соединить вместе, по меньшей мере, одним проводом 712, примыкающим к брикету 710 и проходящим поперек него. Только в качестве примера, и не в качестве ограничения, по меньшей мере, один провод 712 может содержать алюминиевую связывающую проволоку с диаметром по существу 37 микрон, рассчитанную на ток 1,0 А. В качестве не ограничивающего примера, отсекающий воду компонент 702 может содержать два провода 712, примыкающих к брикету 710 и проходящих поперек него крестообразно, как показано на фигуре 7C.

Брикет 710 может быть выполнен с возможностью расширения к проводу (проводам) 712 под воздействием жидкости и, вследствие этого, разрывать провод (провода) 712, в результате чего возникает конфигурация, показанная на фигурах 7D и 7F. Как показано на фигурах 7D и 7F, брикет 710' уже расширился, что привело к разрыву проводов 712'. В результате, вход 706 является электрически изолированным от выхода 708.

На фигуре 8 показана блок-схема электронной цепи 212' задержки времени, использующей отсекающий воду компонент 702 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Аналогично электронной цепи 212 задержки времени, показанной на фигуре 5, электронная цепь 212' задержки времени содержит электронное устройство 500 задержки времени, соединенное цепью 502 напряжения стрельбы. Поэтому, описанное выше со ссылками на фигуру 5 в отношении конфигурации и работы электронного устройства 500 задержки времени, цепи 502 напряжения стрельбы, и инициирующего заряда 418 также применимо и к электронной цепи 212' задержки времени. Кроме того, электронная цепь 212' задержки времени содержит отсекающий воду компонент 702, функционально соединенный между батареей 408 и терминалом подачи напряжения VDD. Батарею 408 можно избирательно соединять с отсекающим воду компонентом 702 посредством электронного замыкателя S, создаваемого электрическими контактами 304 во взаимодействии со штыревым контактом 306 (смотри фигуру 4). Когда штыревой контакт 306 соединяется с кольцевым контактом 304, батарея 408 соединяется с отсекающим воду компонентом 702, таким образом соединяя электронное устройство 500 задержки времени и цепь 502 напряжения стрельбы с батареей 408.

Теперь должна быть описана соответствующая работа цепи 212', использующей отсекающий воду компонент 702. После того, как штыревой контакт 306 во входном модуле 206 соединяется с обоими электрическими контактами 304 (смотри фигуру 4), батарея 408 соединяется со входом 706 (смотри фигуры 7А-7D) отсекающего воду компонента 702. Провод(а) 702 функционально соединяет ввод 706 и вывод 708, которые в свою очередь функционально соединены с терминалом подачи напряжения VDD. Поэтому после соединения штыревого контакта 306 и кольцевого контакта 304 батарея соединяется с электронным устройством 500 задержки времени и цепью 502 пуска напряжения, таким образом запуская необходимую выбранную задержку времени. После контакта воды или другой жидкости с брикетом 710, брикет 710 может расширяться к проводу(ам) 712, входить в контакт с проводом(ами) 712, и затем разрывать провод(а) 712, результатом чего являются разорванный провод(а) 712' (смотри фигуры 7D и 7F). В результате, батарея 408 электрически разъединяется с электронным устройством 500 задержки времени и цепью 502 пуска напряжения и поэтому цепь 212' задержки времени выключается из работы. Этот признак обеспечивает улучшенную безопасность операторам, поскольку гарантирует, что электронная задержка времени, которая нарушена жидкостью, не будет работоспособной после извлечения из ствола скважины.

Хотя варианты осуществления электронных устройств задержки времени настоящего изобретения описаны и показаны, как применяемые с системой перфорирования в скважине, они не настолько ограничены. Например, электронное устройство задержки времени настоящего изобретения можно использовать в различных вариантах осуществления для инициирования других систем с взрывчатыми веществами или ракетными топливами в стволе скважин, такими как системы резки насосно-компрессорной трубы или обсадных колонн. Кроме того, предполагается, что варианты осуществления электронного устройства задержки времени настоящего изобретения должны найти применение в подземных горных работах и туннельных работах, в коммерческих, промышленных и военных работах по разрушению, в боеприпасах, и в другом, что должно быть ясно специалистам в соответствующих областях техники.

Конкретные варианты осуществления показаны в качестве примеров на чертежах и подробно описаны в данном документе; вместе с тем, изобретение может подвергаться различным модификациям и принимать альтернативные формы. Следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми формами. Напротив, изобретение включает в себя все модификации, эквиваленты и альтернативы, соответствующие сущности и объему изобретения, задаваемые следующей прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Группа изобретений относится к устройствам задержки времени для использования в инициировании подрыва взрывчатых веществ и ракетного топлива. Технический результат - повышение надежности и гибкости работы системы перфорирования скважины, а также высокий уровень надежности при низком уровне цены и уменьшенной сложности изготовления. Система перфорирования в скважине включает в себя электронный блок задержки времени, содержащий входной компоновочный узел, электронную цепь задержки времени и выходной компоновочный узел. Входной компоновочный узел активируется внешним управляющим воздействием, при этом его элемент смещается для активирования электронной цепи задержки времени. Электронная цепь задержки времени содержит устройство задержки времени, соединенное с цепью напряжения стрельбы. Электронная цепь задержки времени отсчитывает задержку времени и, после ее завершения, поднимает напряжение, пока не будет превышено заданное пороговое напряжение стрельбы. После превышения порогового напряжения стрельбы переключатель спускового устройства должен пробиваться для передачи энергии на электрическое устройство с инициирующим зарядом для инициирования дополнительного детонатора заряда в выходном компоновочном узле. Дополнительный детонатор заряда создает выход энергии подрыва для подрыва следующего элемента взрывчатого вещества или ракетного топлива, такого как группа кумулятивных зарядов в системе перфорирования в скважине. 6 н. и 28 з.п. ф-лы, 13 ил.

Формула