СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИНИЦИИРОВАНИЯ ОГНЕВОЙ ЦЕПИ
METHOD AND DEVICE FOR CHAIN INITIATION OF FIRE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству взведения и, более конкретно, к способу и устройству инициирования огневой цепи с целью детонации взрывчатого вещества, например, используемого в пулевом перфораторе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Многие известные взрывчатые вещества, которые, в общем, называются бризантными взрывчатыми веществами, для детонации требуют значительного ударного, теплового, механического или другого воздействия. В связи с этим для обеспечения надежной детонации этих взрывчатых веществ часто используется огневая цепь, которая обычно содержит детонатор и промежуточные элементы. Для упрощения применения детонаторы обычно изготавливают с использованием легко детонирующих инициирующих взрывчатых веществ.
Учитывая легкость срабатывания детонатора, предпринимаются меры для предотвращения случайного приведения в действие детонатора или осуществления прерывания огневой цепи, обеспечивающей подачу выходного импульса на взрывчатое вещество.
Одним из известных подходов к реализации этой задачи является физическая изоляция детонатора от остальной части огневой цепи непосредственно до момента, предшествующего требуемой детонации взрывчатого вещества. В этом случае необходимо, чтобы оператор фактически установил детонатор в остальную часть огневой цепи в конечном пункте применения устройства. Хотя данный способ обладает определенными преимуществами, связанными с тем, что огневая цепь до установки детонатора не является замкнутой, инициирующее устройство должно быть установлено до требуемого момента детонации и, в случае выполнения перфорации скважины, до размещения взрывчатого вещества в требуемом положении.
Другой подход состоит в использовании дефлаграции инициирующего устройства, применении проволочного мостика взрывателя или детонатора с взрывающейся фольгой для непосредственного инициирования огневой цепи, состоящей исключительно из бризантных взрывчатых веществ. Несмотря на эффективность, использование этих устройств ограничено проблемами доступности технологии, надежности и/или высокой стоимости и сложности электрических систем.
Альтернативный подход предусматривает прерывание огневой цепи таким образом, что даже в случае детонации инициирующего взрывчатого вещества, по меньшей мере, часть огневой цепи является «разомкнутой», так что взрывчатое вещество, размещенное на конце огневой цепи, не детонирует. Такие системы могут быть блокированными или разомкнутыми. В блокированной системе барьер или другое изолирующее устройство размещается таким образом, чтобы обеспечить прерывание огневой цепи. На практике, хотя детонатор или другой сегмент огневой цепи может непосредственно воздействовать на барьер, указанный барьер препятствует передаче огневой цепью выходного импульса.
В разомкнутой системе, по меньшей мере, часть огневой цепи смещена таким образом, что не обеспечивается связь с остальной частью огневой цепи. В разомкнутой системе функционирование огневой цепи ограничивается сегментом, на котором прерывается связь, в результате чего размыкается огневая цепь между детонатором и взрывчатым веществом. Однако после восстановления связи разомкнутого сегмента с остальной частью огневой цепи обеспечивается возможность инициирования огневой цепи и детонации взрывчатого вещества.
Один из способов устранения прерывания как разомкнутой, так и блокированной огневой цепи состоит в устранении оператором барьера или восстановлении связи элементов огневой цепи перед применением устройства. Это обеспечивает безопасность системы до момента выполнения требуемых операций. Однако после восстановления связи или устранения блокирования огневая цепь восстанавливается. Вместе с тем, выполнение требуемых действий с устройством взведения требует осуществления доступа к этому устройству и может сопровождаться проведением дополнительных операций с взведенным устройством до момента его фактического использования.
В баллистических системах используется альтернативный способ, предусматривающий автоматический переход из состояния прерванной огневой цепи в состояние замкнутой (то есть неблокированной или совмещенной) огневой цепи под воздействием определенных внешних сил или условий окружающей среды. Для заданной области применения осуществляется определение конкретных факторов среды или внешнего воздействия, требуемых для реализации определенного механизма взведения. Например, может использоваться воздействие на устройство взведения определенной динамической нагрузки, скорости или вращательного движения устройства взведения. Кроме того, для приведения устройства взведения в состояние готовности могут использоваться факторы окружающей среды, такие как давление или температура. Вместе с тем следует соблюдать осторожность при выборе факторов внешнего воздействия и окружающей среды, используемых для приведения устройства взведения в состояние готовности, поскольку действие соответствующего фактора приводит устройство взведения в состояние готовности независимо от того, требовалось это или не требовалось.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением предлагается устройство для инициирования огневой цепи, которое может быть взведено непосредственно перед инициированием. Указанное устройство включает в себя электронный спусковой механизм, предназначенный для приема и передачи сигналов. Механизм ориентации, связанный со спусковым механизмом, обеспечивает перевод устройства из «смещенного» состояния, в котором детонационный импульс детонатора, связанного со спусковым механизмом, не проходит к огневой цепи, в «совмещенное» состояние, в котором цепь передачи детонационного импульса детонатора к огневой цепи замкнута.
В другом примере осуществления изобретения предусмотрено взрывательное устройство с дистанционным взведением. В этом случае огневая цепь, связанная с взрывательным устройством, может быть приведена в состояние готовности непосредственно перед приведением в действие детонатора взрывательного устройства. Взрывательное устройство дополнительно содержит барьер, размещенный между детонатором и огневой цепью, который предназначен для предотвращения инициирования огневой цепи в результате срабатывания детонатора. Воздействию смещающего элемента, прижатого к барьеру, противодействует блокирующий механизм, связанный с барьером. Разрушающийся элемент блокирующего механизма разрушается при получении определенного сигнала, так что усилие, приложенное смещающим элементом, приводит к отведению барьера из зазора между инициирующим устройством и огневой цепью.
Дополнительно предлагается способ инициирования огневой цепи, обеспечивающий приведение устройства взведения в состояние готовности непосредственно перед инициированием огневой цепи. Указанный способ включает этапы передачи сигнала, обеспечивающего изменение состояния устройства взведения, с целью установления непрерывной связи между детонатором и огневой цепью. После изменения состояния устройства взведения выполняется приведение в действие детонатора и огневой цепи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует вид в перспективе пулевого перфоратора, содержащего взрывчатое вещество, используемое во взрывательном устройстве.
Фиг. 2 иллюстрирует вид сверху в перспективе взрывательного устройства, изображенного на Фиг. 1, на котором указан барьер, предусмотренный для обеспечения смещенного состояния элементов взрывательного устройства.
Фиг. 3 иллюстрирует вид снизу в перспективе взрывательного устройства, изображенного на Фиг. 1.
Фиг. 4 иллюстрирует вид сверху в перспективе взрывательного устройства, изображенного на Фиг. 1, на котором указан барьер, сдвинутый с целью обеспечения совмещенного состояния элементов взрывательного устройства.
Фиг. 5 иллюстрирует вид снизу в перспективе взрывательного устройства, изображенного на Фиг. 1, на котором указан барьер, сдвинутый с целью обеспечения совмещенного состояния элементов взрывательного устройства.
Фиг. 6 иллюстрирует вид в перспективе другого примера осуществления взрывательного устройства, изображенного на Фиг. 1, при смещенном состоянии элементов взрывательного устройства.
Фиг. 7 иллюстрирует вид в перспективе взрывательного устройства, изображенного на Фиг. 6, на котором указан барьер, повернутый с целью обеспечения совмещенного состояния элементов взрывательного устройства.
Фиг. 8 иллюстрирует вид в перспективе еще одного примера осуществления взрывательного устройства, изображенного на Фиг. 1, в смещенном состоянии, в котором детонатор не связан с огневой цепью.
Фиг. 9 иллюстрирует вид в перспективе взрывательного устройства, изображенного на Фиг. 8, в совмещенном состоянии, в котором детонатор связан с огневой цепью.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 изображена система 2, содержащая взрывательное устройство 4, связанное с огневой цепью 6. Огневая цепь 6, такая как детонирующий шнур, проходит от взрывательного устройства 4 к взрывчатому веществу или другому воспламеняющемуся материалу. Представленное взрывательное устройство 4 имеет конструкцию, обеспечивающую сдвиг из смещенного состояния 8, в котором срабатывание взрывательного устройства 4 не приводит к воспламенению огневой цепи 6, в совмещенное состояние 10, в котором в результате срабатывания взрывательного устройства 4 обеспечивается воспламенение огневой цепи 6. Взрывательное устройство 4 содержит электронный спусковой механизм 12, выполняющий прием из удаленного пункта определенного сигнала, обеспечивающего изменение состояния взрывательного устройства 4 без физического воздействия оператора непосредственно перед приведением в действие взрывательного устройства 4. Таким образом, взрывательное устройство 4 может оставаться в смещенном состоянии 8 до достижения взрывательным устройством 4 заданного положения и готовности взрывчатого вещества к воспламенению.
Как указано на Фиг. 2, взрывательное устройство 4 содержит детонатор 14, связанный со спусковым механизмом 12. Детонатор 14 содержит инициирующее взрывчатое вещество или другой воспламеняющийся материал. Приведение в действие детонатора 14 может быть осуществлено известными способами, например, при помощи подачи электрического тока. Как указано на Фиг. 2, детонатор 14 может быть связан со спусковым механизмом 12, например, при помощи проводника, так что при приеме спусковым механизмом 12 определенного сигнала спусковой механизм 12 подает электрический ток, достаточный для приведения в действие детонатора 14.
Детонатор 14 может содержать известный взрывчатый материал, в том числе инициирующее и бризантное взрывчатое вещество. Инициирующие взрывчатые вещества охватывают, среди прочего, азид свинца, стифнат свинца, гремучую ртуть, а также их комбинации. Бризантные взрывчатые вещества охватывают, среди прочего, тринитротолуол, пентаэритритила тетранитрат, гексоген, октоген, гексанитростильбен, нонанитротерфенил, а также их комбинации. Приведение в действие детонатора 14 приводит к распространению энергии вдоль цепи 16 передачи детонационного импульса, созданного детонатором.
Взрывательное устройство включает в себя механизм 18 ориентации, предназначенный для осуществления перехода устройства из смещенного состояния 8, указанного на Фиг. 2 и 3, в совмещенное состояние 10, представленное на Фиг. 4 и 5. Приведение в действие детонатора 14 вызывает высвобождение энергии. При нахождении устройства в смещенном состоянии 8 энергия, распространяющаяся вдоль цепи 16 передачи детонационного импульса, не достигает огневой цепи 6. Таким образом, когда взрывательное устройство 4 находится в смещенном состоянии 10, огневая цепь 6 не будет инициирована в результате приведения в действия детонатора 14. В отличие от этого, при нахождении устройства в совмещенном состоянии 10, энергия детонационного импульса, поданного детонатором 14, которая распространяется вдоль цепи 16 передачи, поступает на огневую цепь 6, в результате чего осуществляется воспламенение огневой цепи 6.
Как указано на Фиг. 2-5, механизм 18 ориентации включает в себя барьер 20, который может перемещаться из положения 22 блокирования между детонатором 14 и огневой цепью 6, соответствующего смещенному состоянию 8 взрывательного устройства 4, в положение 24 сдвига между детонатором 14 и огневой цепью 6, соответствующее совмещенному состоянию 10 взрывательного устройства 4.
Как указано на Фиг. 2-4, барьер 20 представляет собой элемент, выполненный из металла, однако предполагается, что барьер может быть изготовлен из керамики, пластика, углеродного волокна или другого пригодного для данной цели материала. В альтернативном варианте барьер 20 включает в себя пластиковый сегмент, направленный в сторону детонатора 14, так что в случае приведения в действие детонатора, когда барьер 20 находится на месте, первоначальное воздействие приходится на пластиковый сегмент. Пластиковый сегмент поглощает энергию и обеспечивает уменьшение усилия, передаваемого через металлический элемент. Снижение передаваемого усилия приводит к ограничению или предотвращению распространения осколков от задней стороны барьера 20, направленной в сторону огневой цепи 6, и возможности воспламенения огневой цепи 6 в результате воздействия осколков.
Механизм 18 ориентации, указанный на Фиг. 2-5, дополнительно содержит смещающий элемент 26, такой как пружина, отводящий барьер 20 в положение 24 сдвига. Для противодействия воздействию смещающего элемента 26 в механизме 18 ориентации предусмотрен блокирующий механизм 28, связанный с барьером 20 и противодействующий отведению барьера 20 из положения 22 блокирования в положение 24 сдвига. Как указано на Фиг. 3 и 5, блокирующий механизм 28 включает в себя блокирующий элемент 30, который с возможностью поворота соединен с элементом 32 конструкции, таким как спусковой механизм. Как указано на Фиг. 2-5, барьер 20 проходит сквозь отверстие 34 в элементе 32 конструкции. Однако предполагается, что наличие указанного элемента конструкции не является обязательным.
Блокирующий элемент 30 блокирующего механизма 28 может быть отведен от барьера 20 известными способами, в том числе с использованием механического усилия, обусловленного воздействием двигателя, давления гидравлической системы, например, при помощи системы управления, содержащей трубопроводы гидравлической системы, резервуар с текучей средой или электромагнитный клапан. В альтернативном варианте, например, при использовании двигателя барьер 20 может перемещаться под воздействием двигателя, например, с использованием ходового винта.
.
В альтернативном варианте, как представлено на Фиг. 2-5, блокирующий механизм 28 включает в себя смещающий механизм 36, такой как пружина, прижимающийся к блокирующему элементу 30 и предназначенный для отведения блокирующего элемента 30 от барьера 20 таким образом, что обеспечивается возможность перемещения барьера 20 в положение 24 сдвига
Разрушающийся элемент 38 блокирующего механизма 28 может быть размещен рядом с блокирующим элементом 30 с целью предотвращения перемещения блокирующего элемента 30 и выхода из зацепления с барьером 20. Как указано на Фиг. 2-5, разрушающийся элемент 38 прикреплен к элементу 32 конструкции и выступает из него. Разрушающийся элемент 38 дополнительно соединен со спусковым механизмом 12 с целью обеспечения приема от него определенного сигнала. После приема сигнала структурная целостность разрушающегося элемента 38 нарушается, так что блокирующий элемент 30 перемещается и, таким образом, обеспечивает возможность перехода барьера 20 в положение 24 сдвига.
Как указано на Фиг. 2-5, разрушающийся элемент 38 представляет собой резистор. Резистор подбирается таким образом, что при приеме электрического сигнала от спускового механизма 12 происходит перегорание резистора. Усилие смещения, прилагаемое к блокирующему элементу 30 смещающим элементом 36, является достаточным для преодоления сопротивления перегоревшего резистора. В результате этого смещающий элемент 36 сдвигает блокирующий элемент 30 из зацепления с барьером 20, обеспечивая возможность смещения барьера 20 в положение 24 сдвига и результирующего перехода взрывательного устройства 4 в совмещенное состояние 10.
На Фиг. 6-9 указаны альтернативные примеры осуществления взрывательных устройств 38 и 40. Как указано на Фиг. 6 и 7, барьер 42 поворачивается с результирующим переходом устройства из смещенного состояния 44, представленного на Фиг. 6, в совмещенное состояние 46, указанное на Фиг. 7. Барьер 42 связан с шарнирным элементом 48, например, стержнем, проходящим сквозь барьер, который обеспечивает возможность поворота барьера 42 с переходом устройства из смещенного состояния 44 в совмещенное состояние 46. Барьер 42 смещается в совмещенное состояние 44 смещающим элементом 50, таким как пружина. Повороту барьера 42 препятствует блокирующий механизм 52. Как указано на Фиг. 6 и 7, блокирующий механизм 52 представляет собой резистор 54. Предполагается, что при протекании через резистор 54 электрического тока, подаваемого в виде электрического сигнала спусковым механизмом 12, резистор 54 перегорает, плавится или другим способом перемещается либо способствует перемещению определенного элемента, так что пружина 50 обеспечивает сдвиг барьера 42 в совмещенное состояние 44.
Как указано на Фиг. 8 и 9, взрывательное устройство 40 может содержать сегмент 56 детонатора 14 или огневой цепи 6, который может поворачиваться из смещенного состояния 58, указанного на Фиг. 8, в совмещенное состояние 60, представленное на Фиг. 9. Аналогично взрывательному устройству 38, изображенному на Фиг. 6 и 7, взрывательное устройство 40 включает в себя поворотный сегмент 62, содержащий шарнирный элемент 64, например, стержень. Поворотный сегмент 62 включает в себя часть детонатора 14 или огневой цепи 6. Поворотный сегмент 62 переводится в совмещенное состояние 60 смещающим механизмом 66, таким как пружина 68. Повороту поворотного сегмента 62 препятствует блокирующий механизм 70. Как указано на Фиг. 8 и 9, блокирующий механизм 70 представляет собой резистор. Предполагается, что при протекании электрического тока, подаваемого через резистор в виде электрического сигнала спусковым механизмом 12, резистор перегорает, плавится или другим способом перемещается либо способствует перемещению определенного элемента, так что пружина 68 обеспечивает поворот поворотного элемента в совмещенное состояние 60.
Как показано на Фиг. 9, когда взрывательное устройство 40 находится в совмещенном состоянии 60, детонатор 14, огневая цепь 6 и поворотный сегмент 62 размещены друг относительно друга таким образом, что при приведении в действие детонатора 14 осуществляется воспламенение огневой цепи 6. В противном случае, как показано на Фиг. 8, зазор между огневой цепью 6 и детонатором 14 является достаточным для предотвращения воспламенения.
В альтернативном варианте детонатор 14 может полностью поворачиваться, так что в смещенном состоянии 58 детонатор 14 размещается таким образом, что не является совмещенным с какой-либо частью огневой цепи 6.
Резисторы, указанные в настоящем документе могут быть представлены композитными углеродистыми резисторами, которые, как известно, разрушаются при перегрузке. Резисторы могут быть дополнительно использованы для осуществления функций механического спускового механизма. В частности, в резисторе может быть предусмотрен паз, отверстие или усиленные контакты для дополнительного повышения характеристик механического блокирования.
В альтернативном примере осуществления изобретения разрушающийся элемент может включать в себя плавкий сегмент. Указанный сегмент плавится под воздействием тепла или электрического тока с результирующим нарушением целостности конструкции разрушающегося элемента. Плавкий сегмент может быть представлен в виде блока, изготовленного из электропроводящего пластика, к которому прикреплены выводы, выполненные отдельно или за одно целое с указанным блоком. Прохождение электрического тока через электропроводящий пластик приводит к плавлению пластика с результирующим нарушением целостности блока. В альтернативном варианте пластик или другой плавкий материал устанавливается рядом с блокирующим элементом. Резистор или другой элемент электрической схемы размещается рядом с плавким материалом, так что при прохождении электрического тока через резистор и разрушении резистора выделенная энергия обеспечивает плавление плавкого материала.
Предполагается, что во взрывательном устройстве могут быть реализованы два барьера или механизма поддержания смещенного состояния. Два механизма обеспечения смещенного состояния могут быть выполнены с использованием одинаковых или различных способов.
Предполагается, что спусковой механизм представляет собой адресуемый спусковой механизм, аналогичный устройству, описанному в патентах США №№ 7347278 и 7505244, которые полностью включены в настоящий документ посредством ссылки. В частности, адресуемый спусковой механизм может осуществлять управление выключением или позиционированием блокирующего механизма посредством передачи электрического сигнала на двигатель, систему управления, электромагнитный клапан или другие известные устройства. Кроме того, предполагается, что адресуемый спусковой механизм может предоставлять по каналу обратной связи данные о состоянии системы в целом и ее целостности.
Дополнительно предполагается, что спусковой механизм передает на взрывательное устройство определенную последовательность сигналов, например, по меньшей мере, два сигнала и в течение заданного интервала времени в результате приема указанных двух сигналов осуществляется изменение состояния взрывательного устройства. В альтернативном варианте могут быть использованы другие известные способы и устройства подтверждения передачи определенной команды, например, команды инициирования.
Дополнительно предполагается, что для подачи запросов и получения отчетов о состоянии системы, а также выполнении процедур обеспечения безопасности может быть использовано внешнее устройство тестирования. Такое устройство может применяться для контроля наличия и/или целостности барьера и/или блокирующего механизма. Например, через блокирующий элемент может подаваться электрический ток, используемый для определения наличия, целостности и/или положения барьера.
Одной из областей использования предложенной системы является дистанционное взведение пулевого перфоратора после размещения его в скважине на заданной глубине независимо от других факторов, таких как давление, температура, перемещение, глубина или наличие маркеров посредством подачи сигнала на систему или элемент, находящийся в скважине, который взаимодействует с системой.
Хотя в настоящем документе с использованием ограниченного числа примеров были описаны различные варианты осуществления изобретения, для специалистов в данной области техники, которые ознакомились с настоящим описанием, очевидно, что в пределах объема изобретения могут быть реализованы другие примеры и варианты осуществления изобретения. Соответственно, объем настоящего изобретения не ограничивается представленным описанием.