DETONADORES UTILIZADOS EN LA SISMICA -----------------------------------------------------------En la práctica de la actividad sísmica, se utilizan “Detonadores Eléctricos Sísmicos” como iniciadores de una explosión. El conocimiento y manejo del “detonador” no es lo suficientemente valorado con respecto al riesgo de accidente y al grado del mismo en caso de ocurrencia. Desde el proceso de compra hasta su uso final no es, tampoco, convenientemente comprendido, de allí que en cualquier “polvorín” de empresa sísmica se desconoce si los detonadores son sensibles, insensibles o altamente insensibles ya que no se recibe ningún certificado adjunto al remito de carga. El proveedor no se asegura que el producto vendido posea toda la información necesaria para el buen conocimiento y empleo del mismo. El “detonador eléctrico sísmico”, aparte de cumplir con normas de seguridad de acuerdo a su sensibilidad, debe cumplir con el requisito de asegurar “retardos de tiempo aceptables” para la industria sísmica, respecto a una cantidad de energía suministrada. Cuanto más insensible sea el “detonador” mas seguro será su manipulación pero mayor es la energía a emplear para que su detonación se produzca con retardos de tiempo aceptables. Concepto de explosivos Un explosivo es una mezcla de componentes químicos que pueden ser iniciados por acción de: calor, golpe, impacto, fricción ó una combinación de estas acciones. Cuando un explosivo es iniciado, este se descompone rápidamente en una “detonación” la cual consiste en una liberación muy rápida de calor y gases que se expande con una sustancial fuerza. El primer explosivo se cree que fue traído desde la China al Continente Occidental por el navegante veneciano Marco Polo alrededor del año 1000 DC. La industria del explosivo se ha desarrollado desde entonces y nuevos componentes químicos más potentes y seguros fueron creados. Nóbel logró mezclar la instable Nitroglicerina con aserrín descubriendo la “Dinamita” (Nitrato de amonio), que luego fue desarrollada, entre otros por: Laboratorios Dupont. Ahora el explosivo, aparte de ser económico, es: seguro de transportar y manipular (ya que se lo ha insensibilizado contra golpes ó
impactos, no producen gases tóxicos que ocasionaban fuertes dolores de cabeza y son resistentes a la acción del agua. Los explosivos son permanentemente usados en la actividad sísmica cuando la fuente de energía es impulsiva. Concepto sobre detonadores En nuestra industria sísmica usamos “Detonadores Eléctricos Especiales” para iniciar adecuadamente a las cargas Explosivas. El detonador también es un explosivo, el cual combina diferentes fenómenos: “deflagración” y “detonación”. Usamos el nombre genérico de “explosión” para ambos fenómenos, pero tenemos que distinguir la diferencia: En una detonación la reacción química es mas violenta pues su velocidad de desplazamiento es mayor que la velocidad del sonido sobre ese mismo material. Los gases generados en una detonación constituyen un violento frente de ondas que se propaga a velocidades mucho mayores a 900 m/s (900 m/s se considera el valor de velocidad límite entre deflagración y detonación) En una “deflagración” la reacción química es menos violenta pues esta se mueve a una menor velocidad (la velocidad de la reacción es menor a la velocidad de propagación del sonido por dicho material) La “pólvora” es el explosivo mas nombrado dentro de esta reacción. En general: cuanto mayor es la velocidad de la explosión mayor es la fuerza que se genera por acción del frente de onda de los gases desarrollados en esa reacción... Actualmente los explosivos usados en sísmica poseen una velocidad de reacción de 7000-8000 m/s. Los “Detonadores Eléctricos-Sísmicos”, además de tener que garantizar seguridad en su uso y poseer suficiente fuerza para iniciar una amplia gama de explosivos, debe también garantizar “retardos de tiempo” aceptables para nuestra actividad (menores a un milisegundo), en una relación inversa a la cantidad de energía aplicada (por la fuente de energía) Cuanto más insensible sea el detonador, mas seguro será manipularlo pero mayor será la energía a suministrarle para lograr “retardos de detonación” aceptables.
Introducción al detonador eléctrico sísmico
El Detonador Eléctrico Sísmico, se encuentra contenido en una cápsula de aluminio y se conecta con la Fuente de Energía Externa (Blaster), por intermedio de un par de cables de cobre, convenientemente protegidos por una cubierta plástica semiconductora (protección física y anti-estática de los cables de cobre). En la figura 1 se puede observar un esquema de un detonador fabricado por la empresa Dyno Nobel. La Energía liberada en forma de calor por el Filamento, hace explotar la carga explosiva, dando comienzo a la cadena de detonación. Este Filamento se encuentra conectado al par de cables de cobre externo por medio de los cuales recibe la energía eléctrica necesaria (generalmente desde el Blaster) Los extremos del cable del detonador deberán permanecer cortocircuitados para reducir las posibilidades de que “voltajes estáticos” inicien la detonación Protección antiestática En la Figura 1 y 2 vemos como dentro de la cápsula del detonador y previo al Filamento, los cables eléctricos pasan entre dos pequeños orificios de una placa metálica que se encuentra en contacto con la cápsula de aluminio. La distancia entre cada cable y la lámina conductora es tan pequeña que si se presenta un alto voltaje eléctrico estático instantáneo (inducido externamente sobre los cables con respecto a tierra), se producirá un arco eléctrico entre el cable y la placa metálica solidaria a la cápsula depositada sobre la tierra (descarga corona), evitando la descarga sobre el Filamento. Es decir “la protección antiestática ha generado un camino de baja impedancia eléctrica por donde se podrá derivar a tierra, la corriente eléctrica generada por altos voltajes inducidos”.
Tapón Fenólico Tapón Plástico (Rubber Plug)
Protección Antiestática
Carga Primaria
Filamento Carga Pirotecnia
Terminal de Cables en Cortocircuito
Carga Secundaria
Par de Cables de Disparo
Figura 1: Diagrama de un Detonador Eléctrico Sísmico
(Ferrule capsule)
Cámara de Aire Cinta Conductora (protección antiestática)
“First Spot” (Filamento ó Puente + Carga
Pirotécnica)
Tapón Fenólico
Figura 2: Filamento y Protección Antiestática de un Detonador SuperSeismic
En la Figura 2 se aprecia mejor la existencia de la “cámara de aire” que se deja entre el denominado “first spot” (Filamento + Carga Pirotécnica) y la “Carga Primaria”, para que la reacción pirotécnica (calor y llama) no produzca una acción de tostado sobre la carga primaria. También se aprecia mejor la cápsula adicional (ferrule capsule) para proteger físicamente a las unidades más sensibles del detonador a ser iniciadas por impacto ó golpe de un objeto sobre la cápsula externa del detonador. Explosivo Pirotécnico : Es la carga explosiva más sensible de las tres y se encuentra en contacto con el filamento incandescente . Una determinada cantidad de calor generado en el Filamento inicia la reacción de “deflagración” en la carga pirotécnica dando comienzo a la cadena de detonación . Si bien la “deflagración es una reacción lenta (su velocidad es menor a 900 m/s) esta libera gases y llamas a no muy alta presión pero sí a altas temperaturas (Temperaturas mayores a 1000 ºC) Carga primaria: se inicia por la energía proporcionada por la deflagración anterior y su reacción es mucho más violenta. La carga primaria es mucho más insensible que la pirotécnica y su velocidad de reacción es mucho mayor que 900 m/s. El frente de onda de choque, generado por la expansión de los gases producidos por la reacción, ejerce una gran presión sobre el medio que lo rodea (que es la carga base o secundaria) . En el fenómeno de la explosión, existe una relación directa entre “velocidad de la reacción” y “el poder energético del frente de choque”. Carga Secundaria ó Carga Base: Esta es la última carga explosiva del detonador, la más insensible a ser iniciada (por eso necesita de las dos cargas anteriores) pero la de mayor poder para iniciar una amplia gama de explosivos a los cuales se acoplará el detonador. Esta carga define el grado de “Fuerza” del detonador (strength) .
Fuente de energía para disparar un detonador
Blaster La fotografía contenida en la Figura 5 muestra el inicio de una explosión observándose el frente de onda de choque que avanza hacia la derecha donde se observa parte del material explosivo no alcanzado todavía por dicho frente. La Figura 5 muestra el origen de un “Registro Sísmico” o sea el Tiempo = 0 ó “Time Break”. El detonador fue disparado por un Blaster ,al recibir este un comando desde un Sismógrafo. La explosión transmite su onda de choque al medio que lo rodea (terreno cercano al pozo) produciendo una reacción elástica que se propaga, hacia los substratos profundos de la tierra, a la velocidad elástica de cada substrato en particular.
Figure 5-Explosivo Dyno Nobel detonado con un blaster
El Blaster es un instrumento eléctrico/ electrónico que descarga la energía eléctrica, acumulada en un Capacitor interno, sobre el cable de alimentación de nuestro detonador. El Capacitor interno al Blaster, es un elemento eléctrico pasivo, es decir: “recibe una cierta cantidad de energía que ocupa en generar un Campo Eléctrico entre sus dos placas ó terminales extremos. Este campo eléctrico preserva la energía entregada”. Cuando el Capacitor es directamente conectado al cable de alimentación del detonador, el campo eléctrico entrega la energía acumulada, mediante el drenaje de sus cargas eléctricas sobre el filamento del detonador.
La energía eléctrica acumulada sobre el capacitor se expresa por : Energía acumulada en C = ½ C .V² (joules) o (watts/seg)
La energía del Blaster es entregada generalmente por una Batería de 12 Voltios la cual se asocia con un Convertidor de Continua a Continua (DC/DC Converter) para elevar el voltaje sobre el Capacitor (por ejemplo: 400 Voltios) Para conectar directamente las cargas eléctricas del Capacitor sobre el filamento del detonador , hace falta que una llave interna al Blaster (comandada telemétricamente desde el sismógrafo) se cierre sobre los cables de alimentación del detonador. Clasificación del Detonador en función de su Energía de Iniciación El Filamento y la Energía mínima de iniciación definen, desde el punto de vista de la seguridad, las más importantes características de un Detonador Sísmico. El Fabricante generalmente ofrece tres diferentes tipos de Detonadores Eléctricos Instantáneos Sísmicos: Detonadores Sensibles Detonadores Insensibles Detonadores Altamente Insensibles Detonadores: Sensibles (ó Normal), Insensibles y Altamente Insensibles. Diferencias La diferencia en los distintos “tipos” de Detonadores se basa en: “la cantidad de energía que es necesaria para detonar cada tipo de Detonador”. En general, deberemos elegir los detonadores más insensibles que podamos detonar dentro de tiempos aceptables sísmicamente (por debajo de 1 milisegundo de retardo), ya que ellos presentarán mas dificultad para ser disparados accidentalmente (mejores condiciones de seguridad para manipularlos) Detonadores Eléctricos
Tipo de Detonador
Características
Normal (ó Sensible)
Insensible
Altamente Insensible
Filamento (Puente) Resistencia Energía Mínima de Iniciación Corriente de Seguridad (Máxima Corriente de no Inicio) Mínima Corriente de Inicio
1,15 +/- 0,10
0,30 +/- 0,05
0,045 +/- 0,005
2 +/- 0.3 mJ/
31 +/- 10 mJ/
1900 +/- 600 mJ/
0.25 A
0,85 A (5 min.)
4 A (2 min.)
0.5 A
1,5 A
10 A
Tabla 1: Diferentes tipos de Detonadores, Especificaciones de cada Filamento
Resistencia del Filamento: Es el valor (en Ohmios) de la Resistencia Eléctrica del Filamento ó Puente. La tolerancia dada a este valor es la dispersión de las resistencias medidas entre los detonadores de un lote. Energía Mínima por Unidad de Resistencia: Es el valor de la energía eléctrica mínima necesaria para iniciar uno ó más detonadores, cuando este valor se multiplica por la resistencia eléctrica de los detonadores conectados para ser explotados. Conclusión 1: Cuanto más Insensible es el Detonador, mas Energía Eléctrica será necesaria para detonarlo (implica mayor corriente eléctrica, voltajes estáticos y otras inducciones eléctricas) Nosotros queremos el detonador más insensible posible, por razones de seguridad, pero que pueda ser detonado con retardo de tiempo menor a un milisegundo.
Corriente Eléctrica de Seguridad: Es la máxima corriente eléctrica aplicada sobre el Filamento del Detonador que no producirá su iniciación, en el transcurso del tiempo especificado. Ejemplo: 0.85 A durante 5 minutos para Detonadores Insensibles. Conclusión 2: Cuando se mide la continuidad de un Detonador, siempre se deberá emplear un Multímetro Especial de Seguridad (Galvanómetro) para asegurar que la Corriente Eléctrica que circulará por el filamento en su medida sea mucho más baja que la Corriente de Seguridad.
Corriente Eléctrica Mínima de Iniciación: Es el valor que el fabricante asegura para que cualquier detonador explote al ser circulado por dicha corriente (es un valor eficaz de corriente correspondiente a una descarga capacitiva) Ejemplo: 1,5 A para Detonadores Insensibles
Voltajes y corrientes parasitas Especificaciones y conceptos generales: Los cables de alimentación de un Detonador, pueden ser eléctricamente considerados como un Capacitor, capaz de acumular cargas eléctricas ante la presencia de un Campo Eléctrico, también pueden servir como antena de radio frecuencias y en dicho caso los cables podrían ser considerados como un Inductancia Magnética. La Capacidad “C” o la Inductancia “L”, dependen de las dimensiones del cable: longitud, diámetro de los conductores, distancia entre los mismos, etc. Esencialmente el valor de “C” o “L” es drásticamente disminuido por el solo hecho de poner en corto el extremo de los cables de alimentación del detonador. Todos los detonadores poseen algún tipo de protección anti-estática para prevenir que voltajes estáticos inducidos sobre el detonador (hasta ciertos límites), puedan hacer detonar los mismos . Desgraciadamente no se posee otro antídoto para efectos electromagnéticos que el de “desplazar el generador ó el detonador del lugar”. Efecto Antena para Frecuencias de Radio elevadas (RF) El efecto antena (por transmisión de ondas de RF) debe ser evitado mediante estrictos procedimientos. Solamente “shooters” y “cargadores de pozos” bien entrenados deben realizar dichas operaciones. Como finalmente la carga explosiva será disparada telemétricamente mediante una señal de RF, solamente y en ese momento (con la carga en el interior del pozo) se podrá permitir el uso de un transceptor de radio, todas las otras emisiones radiales no serán permitidas en las cercanías de explosivos en superficie ó sobre pozos cargados.
Campo Eléctrico [V/m]
1000 400 100 50 20 10 50W
1kW
10kW
1 0,1 1
10
20
100
500 1000
Figura 14: Campo Eléctrico creado por la emisión de RF
3000
10000
Distancia [m]
