Электродетонатор для прострелочно-взрывных работ, защищенный от блуждающих токов
ELECTRIC DETONATOR FOR SHOOTING-BLASTING OPERATIONS PROTECTED AGAINST STRAY CURRENTS

Изобретение относится к средствам инициирования и предназначено для инициирования детонирующего шнура, шашечных зарядов взрывчатых веществ и т.п. в составе негерметичной прострелочно-взрывной аппаратуры (ПВА), использующейся при геологоразведке и разработке нефтяных и газовых месторождений. Функционирование ПВА происходит в скважинах на глубине несколько километров, что обуславливает воздействие высокой температуры и давления.
Известен патрон герметичный ПГ-170 [1]. В его состав входит капсюль-детонатор (КД) и электровоспламенитель (ЭВ) с мостиком накаливания, на который нанесен воспламенительный состав. Мостик непосредственно подключается к линии электропитания - геофизическому кабелю. КД представляет собой оболочку, содержащую инициирующий и основной заряды взрывчатого вещества.
Функционирует патрон ПГ-170 следующим образом.
При подаче переменного или постоянного электрического тока за счет джоулева тепла происходит разогрев мостика накаливания ЭВ и воспламенение состава, нанесенного на мостик. Форс газообразных продуктов воспламеняет инициирующий заряд КД, что приводит к его взрыву и инициированию основного заряда. Последний создает взрывной импульс, обеспечивающий выполнение возложенных на патрон функций.
Патрон ПГ-170 обладает высокими эксплуатационными характеристиками (термостойкость 170°C, гидробаростойкость150 МПа). Однако применение его ограничено из-за низкой стойкости к блуждающим токам различного происхождения (гальванического, электростатического, токов утечки и наводки). Безопасный ток патрона (значение тока, не вызывающего срабатывание изделия) составляет 0,2 А при сопротивлении мостика от 1 до 4 Ом, что соответствует минимально допустимому уровню, принятому для ЭД промышленного назначения [2].
Следствием низкого уровня защиты от блуждающих токов являются и дополнительные издержки при ведении прострелочно-взрывных работ. Они обусловлены тем, что согласно Правилам безопасности [3] при использовании изделий, чувствительных к блуждающим токам, необходимо обесточивать близкорасположенное электрооборудование и осветительные приборы на время спуска ПВА в скважину. Время спуска ПВА на геофизическом кабеле составляет несколько часов, количество спусков не ограничено, поэтому работа на соседних скважинах может прекращаться на длительное время.
Известен электродетонатор Dynawell 1423HNS [4], выпускаемый фирмой DYNAenergetics Gmbh & Со. Данный электродетонатор по конструкции и механизму функционирования аналогичен патрону ПГ-170 за тем отличием, что в его электрическую цепь последовательно мостику включен резистор, увеличивающий общее сопротивление изделия до (50±2) Ом. Безопасный ток при этом составляет также 0,2 А, но безопасное значение разности потенциалов увеличивается более чем в 10 раз. Тем самым вероятность несанкционированного срабатывания под действием блуждающих токов уменьшается.
Еще более безопасным является патрон герметичный нечувствительный ПГН-150 [5], принятый за прототип настоящего изобретения. Его конструкция включает КД и ЭВ с мостиком накаливания, снабженный трансформатором, выполняющим функции узла защиты от блуждающих токов. Трансформатор состоит из кольцевого сердечника из феррита марки НМ 2000, первичной обмотки из 6 витков и вторичной обмотки из 2 витков. Концы вторичной обмотки присоединены к мостику накаливания ЭВ. Концы первичной обмотки через токопроводящие элементы подключаются к линии электропитания. На мостик нанесен воспламенительный состав. КД представляет собой оболочку, содержащую инициирующий и основной заряды взрывчатых веществ. Патрон используется в составе системы, включающей прибор контроля ТЕСТ-ЭДТ-А и прибор взрывной высокочастотный ПВВ-1.
Механизм функционирования ПГН-150 следующий.
При подаче на первичную обмотку переменного напряжения в ней возникает электрический ток, создающий магнитный поток, пронизывающий витки вторичной обмотки и индуцирующий в них э.д.с. В мостике, замкнутом на вторичную обмотку, возникает ток. Если его величина достигает значения тока воспламенения, процесс развивается так же, как в аналогах: мостик разогревается, воспламеняет нанесенный на мостик состав, затем воспламеняется и взрывается инициирующий заряд КД, что приводит к детонации основного заряда КД. Если ток в мостике оказывается меньше безопасного тока, происходит отказ.
Величина индуцированного тока зависит от частоты. Как показано в работе [6], при частоте тока в линии электропитания до 1 кГц и более 10 МГц ток в мостике прототипа не может превысить безопасное значение. Таким образом, обеспечивается защита от блуждающих токов низкой частоты, в частности постоянных токов гальванического происхождения и токов утечки, имеющих, как правило, частоту 50 Гц, а также от блуждающих токов высокой частоты, наводимых электромагнитными полями.
Максимальные значения тока в мостике достигаются в диапазоне частот от 50 кГц до 500 кГц. Однако для подрыва ПГН-150 используют электрический сигнал меньшей частоты, так как с увеличением частоты увеличивается индуктивное сопротивление линии электропитания и уменьшается ток в первичной обмотке. При длине линии электропитания, составляющей 2-6 км, оптимален сигнал частотой 15 кГц, вырабатываемый прибором ПВВ-1. Сигнал частотой около 50 кГц используют для контроля сопротивления мостика, осуществляемого с помощью прибора ТЕСТ-ЭДТ-А, подключаемого непосредственно к контактам ПГН-150.
Эффективная защита от постоянных блуждающих токов, переменных токов низкой (менее 1 кГц) и высокой (более 10 МГц) частоты определяет широкое применение патрона ПГН-150. Однако недостаточная гидробаростойкость, составляющая 50 МПа, накладывает существенные ограничения. Учитывая, что плотность скважинной жидкости составляет до 2000 кг/м, давлению 50 МПа может соответствовать высота столба жидкости 2,5 км. Между тем глубина нефтяных и газовых скважин нередко превышает 5 км. Ограничение по гидробаростойкости обусловлено магнитоупругим эффектом, состоящим в изменении намагниченности магнетика под действием механических деформаций. С ростом давления деформация увеличивается, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) трансформатора, уменьшению тока в мостике и вероятности срабатывания. Этому способствует оболочка, окружающая сердечник, обеспечивающая неравномерное распределение воздействующих на него усилий.
Цель настоящего изобретения состоит в повышении гидробаростойкости и, соответственно, расширении области применения ЭД с узлом защиты от блуждающих токов трансформаторного типа.
1
1
1
2
0,5
Поставленная цель достигается тем, что в качестве материала сердечника использован магнитодиэлектрик на основе Mo-пермаллоя, количество витков в первичной обмотке трансформатора W определяется соотношением W≥(50000/μ), где μ - начальная магнитная проницаемость материала сердечника, а соотношение количества витков первичной и вторичной обмоток W/W оставляет от 2 до 4.
Пример предлагаемого ЭД представлен на фиг. 1. Он включает КД 1 и ЭВ 2, снабженный трансформатором, состоящим из кольцевого сердечника 3 из магнитодиэлектрика на основе Mo-пермаллоя с начальной магнитной проницаемостью μ, равной 140±10%, вторичной обмотки 4 из семи витков, замкнутой на мостик накаливания 5, и первичной обмотки 6 из двадцати одного витка, концы которой присоединены к гильзе 7 и штырю 8, являющимися токопроводящими элементами, подключаемыми к линии электропитания. На мостик нанесен воспламенительный состав 9. КД 1 содержит гильзу 7, снаряженную взрывчатыми веществами 10.
Механизм функционирования предлагаемого ЭД не отличается от прототипа, патрона ПГН-150. Как при малой (до 1 кГц), так и при большой (более 10 МГц) частоте тока в линии электропитания из-за очень низкого КПД трансформатора ток в мостике не превышает безопасное значение практически при любых значениях тока в линии питания (первичной обмотке). В областях, примыкающих к частоте 15 кГц, КПД трансформатора достаточно большой, что обеспечивает достижение тока воспламенения в мостике ЭВ при относительно небольших значениях тока в линии питания, например, при использовании прибора ПВВ-1.
Магнитная проницаемость сердечника из магнитодиэлектрика на основе Mo-пермаллоя при воздействии давления не изменяется. Ограничения по глубине применения ЭД, обусловленные магнитоупругим эффектом, присущим сердечнику пртотипа, снимаются, что позволяет вести прострелочно-взрывные работы с предлагаемым ЭД в более глубоких скважинах. Эксперименты проводились как на сердечниках в состоянии поставки, так и на сердечниках в составе ЭВ.
1
1
0,5
Количество витков в первичной обмотке трансформатора W определяется соотношением W≥(50000/μ), основанным на расчетных и эмпирических данных, полученных для сердечников с типоразмерами, пригодными для использования в ЭД. При меньшем количестве витков в первичной обмотке индукционная связь между обмотками становится достаточно слабой. Это приводит к снижению надежности срабатывания ЭД до неприемлемого уровня (при использовании прибора ПВВ-1), а также к возрастанию погрешности измерений сопротивления мостика, выполняемых в процессе производства ЭД. Дефектные изделия могут попадать потребителю, а годные - в брак.
1
2
Соотношение количества витков первичной и вторичной обмоток W/W должно составлять от 2 до 4. Как видно из данных таблицы 1, полученных для ЭД, представленного на фиг. 1, с мостиком накаливания сопротивлением (0,75±0,25) Ом, при частоте сигнала 15 кГц, это соотношение оптимально: ток воспламенения в мостике ЭВ достигается при минимальных значениях тока в первичной обмотке и линии питания.
Список литературы
1. Щукин Ю.Г., Лютиков Г.Г., Поздняков З.Г. Средства инициирования промышленных взрывчатых веществ. - М.: Недра, 1996. - 155 с.
2. Технический регламент Таможенного Союза «О безопасности взрывчатых веществ и изделий на их основе» (TP ТС 028/2012) - http://www.rospromtest.ru.
3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при взрывных работах», утвержденные приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 16 декабря 2013 г. N 605 - http://docs.cntd.ru/document/499066484.
4. Dynaenergetics. Dynawell Technical Information. - http://www. dynawell.com.
5. Комплект конструкторской документации на патрон ПГН-150 ВПД-Н ДИШВ.773955.504. Инв. №16105 ФГУП НПП «Краснознаменец», 1995 г.
6. Агеев М.А., Климова А.А., Попов В.К. Защищенность электродетонаторов типа ПВПД-Н и ПГН от несанкционированного срабатывания. // Каротажник - 2013, - Вып.7 (229). - С. 47-56.