CN101389826A - 用于井下工具的选择性启动的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于选择性点火由多个枪形成的枪列的系统、方法和设备。常规地，每一个枪都包括雷管组件，其中一接收到由地面源传送的点火信号后该雷管组件即引爆。在本发明的一个实施方案中，枪列中提供的操作器选择性地将一个或多个枪联结到信号传送媒介。该操作器具有安全状态，其中该操作器将枪与点火信号隔离，和武装状态，其中该操作器使点火信号能够传送到枪。使用控制信号以便将该操作器在安全状态和武装状态之间移动。在一些实施方案中，两个或更多的枪中的每一个都有独立的操作器。在其它实施方案中，一个操作器可以选择性地接合两个或更多的枪。

Description

用于井下工具的选择性启动的装置和方法

技术领域

[0002]本发明涉及用于井眼工具的选择性启动的设备和方法。更特别地，本发明属于用于枪组件的选择性点火的控制设备和方法的领域。

背景技术

[0003]碳氢化合物(例如石油和天然气)从交叉地层中一个或多个碳氢化合物贮藏的下套管井眼被生产。在下套管井眼中这些碳氢化合物通过射孔流入井眼。射孔通常利用装载聚能射孔弹(shapedcharges)的射孔枪制作。枪通过电力线、平直管线(slickline)、连续油管(coiled tubing)或者其它运输设备被放下进入井眼，直到枪邻近碳氢化合物生产地层。其后，地面信号驱动相关射孔枪的点火头，这样接着引爆聚能射孔弹。由聚能射孔弹爆炸形成的射弹或喷射流体穿透套管使得从而允许地层流体通过射孔流动并且流入采油管。

[0004]在一些应用中，两个或更多的枪或枪室装配形成枪列。顺序地点火这些射孔枪列是一般的惯例。每一个枪由许多聚能射孔弹组成，其中每一个聚能射孔弹被包含在一个独立的枪室中。聚能射孔弹通常从枪或枪室的底部开始被顺序点火。待点火的第一个聚能射孔弹连接到地面，并且该聚能射孔弹的点火，除非存在故障，将导致该地面连接的去除并且按顺序地把下一个聚能射孔弹放在地上。每一个聚能射孔弹的点火，除非存在故障，将导致用于该聚能射孔弹的地面连接的去除并且按顺序地把下一个聚能射孔弹放在地上。

[0005]用于引爆射孔枪的另一个常规的方法包括在地面操作的旋转的开关，通过该开关能够引爆几个射孔弹。然而，这种方法有它的缺点，主要在于限制了以这种方式能被引爆的射孔弹的数量。另一个允许从枪组件的底部开始顺序地“选择点火”引爆射孔弹的常规的方法，通过从地面顺序地施加交替极性的直流(d.c.)电压到测井电缆上。依照这个方法，测井电缆通过二极管电连接到附着于枪组件底部的射孔弹的起爆雷管，并且这个起爆雷管是接地的。所有其它的附着于底部射孔弹上方的其它射孔弹的起爆雷管是不接地的。作为替换，这些不接地的起爆雷管电连接到该二极管和通过绝缘密封垫被安置到挡板的突板(dart)。该二极管同样连接到测井电缆。该突板是在行业中广为人知的设备，其中当该突板正下方的射孔弹被引爆后，该突板从枪组件的部分下方密封挡板。其它常规的选择性点火设备包括多连线-多发射孔枪。在这些设备中，使用多个独立的电路来点火同样的多个射孔元件的小的组合。另一个常规的选择性点火系统是单连线-多发枪。在这种设备中，提供多个间隔的通常解除武装(disarmed)的起爆雷管-射孔元件组合和武装的(armed)组合。武装的组合点火时，通过使用机械操作开关将邻近的起爆雷管-射孔元件组合武装。

[0006]这些常规的选择点火系统由于各种原因(例如容量、可靠性、成本和复杂性)已经验证是不适当的。本发明解决现有技术的这些和其它缺点。

发明内容

[0007]在一个方面，本发明提供了用于提供由多个枪形成的枪列的选择性点火的系统、方法和设备。常规地，每一个枪都包括一旦接收到地面源发送的点火信号就引爆的雷管组件(detonator assembly)。本发明的一个实施方案中，在枪列中选择性提供的操作器将一个或更多枪联结到信号传送媒介。操作器具有安全状态(其中操作器将枪与点火信号隔离)和武装状态(其中操作器使点火信号能够传送到枪)。使用控制信号以便在安全状态和武装状态之间移动操作器。在一些实施方案中，两个或更多的枪中的每一个都被提供独立的操作器。在其它实施方案中，一个操作器可以选择性地接合两个或更多的枪。

[0008]在一个操作模式中，将由多个枪形成的枪列运送到井眼中。至少一个枪被提供以选择性传送点火信号(或任何其它类似信号)到相关枪的雷管(detonator)的操作器。在一种配置中，操作器连接到可以从地面源传送点火信号的信号传送媒介。操作器包括初始与雷管脱离的传导构件。一旦接收到控制信号，传导构件就接合雷管。枪列被放置在井眼中期望的深度后，地面源发送控制信号到操作器。作为响应，操作器的传导构件接合并建立到雷管的信号通路。其后，点火信号被发送以引爆雷管和第一枪。

[0009]应该理解，本发明的更多重要特征的示例已经被相当广泛地概述使得下面它的详细描述可以被更好的理解，并且使得可以了解对本技术的贡献。当然，本发明还有另外的特征，其中这些特征将在下文中描述并且将形成附加于此的权利要求的主题。

附图说明

[00010]为了详细理解本发明，应当参考下面结合附图的优选实施方案的详细描述，其中该附图中类似元件被赋予类似的标号，并且其中：

图1示意性地图解利用本发明的一个实施方案的射孔枪列的部署；

图2示意性地图解适合选择性地允许信号传送到井下工具的本发明的一个实施方案；以及

图3示意性地图解适合选择性地允许信号传送到井下工具的本发明的另一个实施方案。

具体实施方式

[00011]本发明涉及用于选择性点火一个或更多的井下工具的设备和方法。本发明能有不同形式的实施方案。附图中有显示，并且在这里将被在详细的具体的本发明的实施方案中描述，并理解本公开被认为是本发明的原理的例证，而不意为将本发明限制于在这里图解和描述的。

[00012]首先参考图1，显示了井结构和/或放置在地下目的地层12上的碳氢化合物生产设备10。设备可以是适合运输诸如射孔枪列的工具到井眼16中的陆基的或海洋的钻探设备。井眼16可以包括开孔部分和/或下套管的和水泥粘合部分。设备10可以包括已知的设备和结构诸如在地面20上的平台18、井架22、井口24和套管26。从井架22悬挂在井眼16中的工作管柱(work string)28用来运输工具到井眼16中。工作管柱28可以包括钻杆、连续油管、钢丝绳、平直管线或任何其它已知的运输手段。更进一步地，工作管柱28可以通过诸如井眼牵引车(没有显示)的设备在井眼中被拉动，这样在大位移井或斜井中可能是有利的。工作管柱28可以包括遥测线或建立从地面到连接在工作管柱28末端的工具的单向或双向遥测通信的其它信号/功率传送媒介。适合的遥测系统(没有显示)可以是如泥浆脉冲(mudpulse)、电信号、声学的已知的类型，或其它适合的系统。出于例证性的目的，显示了具有地面控制器(例如，电源和/或点火面板)30的遥感系统，其中该地面控制器30适合通过放置在工作管柱28中的电缆或信号传送线31传送信号。信号可以是模拟的或数字的信号。

[00013]在本发明的一个实施方案中，射孔枪列32联结到工作管柱28的末端。典型的枪列包括多个枪或枪室34、36、38，其中每一个枪或枪室都包括聚能射孔弹40。每一个独立的枪(例如枪34)的聚能射孔弹40配置成被作为一个组点火。其它与枪列32相关的装备包括底部接头41、上部接头42和可以装载诸如套管接箍定位器、地层取样工具、套管评估工具等的装备的附件包44。为了使单独的射孔枪34、36、38能够选择性点火，点火控制接头50联结到枪34、36、38中的一个或多个。“选择性”的意思是任何枪34、36、38可以被同时地、连续地和以任何顺序点火。此外，枪34、36、38可以以选择的分组被点火，例如开始对枪34点火然后同时对枪36和38点火。选择点火设备50经配置以提供选择性的和可控的电的和弹道的到枪34、36、38的连接。在某些实施方案中，选择点火系统可以制作成与枪34、36、38整体执行。在其它实施方案中，如图1和2中所示，选择点火系统被放置在模块化接头中，如在这里下面所述。应当理解，本发明的教导可以适合于使用单个枪或多个枪。

[00014]示例性的选择点火接头50控制从信号源(可以在地面或井下)到相关枪34、36、38的点火信号的传送。例如，选择点火接头50可以选择性地在传输点火信号的传送媒介中产生间隙51。这个在传送媒介中的间隙或中断防止点火信号(无论什么形式，例如电的(模拟或数字)、弹道的、爆炸的、化学的、声学的形式等)启动枪34、36、38的爆炸。因此，每一个独立的枪34、36、38可以进入“安全”模式(其中传送媒介中的间隙或中断基本上把枪与点火信号隔离)和“武装”模式(其中桥接该间隙或中断以便允许点火信号启动枪的爆炸)。

[00015]现在参考图2，在一个实施方案中，点火控制接头50作为模块化单元形成，该模块10单元可以选择性地插入枪列32中。仅出于例证性的目的，点火控制接头50被显示插入在枪34和36之间。以常规的方式，枪36包括用于点燃引爆索62的雷管60。在这个布置中，用于传送点火信号的传送媒介是电导体束64。束64包括一端联结到诸如点火面板30的地面控制器而另一端联结到枪34、36、38中每一个的信号传送载体。点火信号通过导体束64传输，并且如果控制接头50允许，最终启动与每一个枪34、36、38相关的雷管60。如所示的，束64放置在枪34、36和接头50的内部，然而，在其它实施方案中，束64可以放置在枪34、36的外部。同样，束64可以由多个通过适合的连接器66联结的长度段64a、b、c形成。

[00016]点火控制接头50包括限定内部空间54的模块化心轴或体52。连接到导体束64并且选择性联结或连接到雷管60的操作器56放置在内部空间54中。在“安全”模式中，限定的间隙51被维持在操作器56与雷管60之间。在“武装”模式中，操作器56关闭间隙并且形成桥，其中通过该桥点火信号可以从导体束64传到雷管60。在这个配置中，该桥是电通路，但是在其它配置中，该桥可以是弹道通路、液压油路或其它适合的传送媒介。一个典型的操作器56包括发动机68、可以纵向移动的轴70、和接触头72。发动机68的开动驱动了轴70纵向地朝向雷管60直到接触头72与雷管60紧密配合。在延伸和接触位置的轴和接触头用隐藏线显示并且用数字71标注。在一些配置中，发动机68和轴70的选择元件由导电材料制成使得在导体束64与雷管60之间的电路由轴70的导电部分、发动机68和接触头72组成。应当理解，轴70的一些实施方案可以形成为在没有接触头72的情况下与雷管60紧密配合。此外，发动机68可以形成为可逆向运动的发动机以便能够使电路闭合和随后打开。在一种配置中，操作器56经配置以便当施加第一极性的电流(控制信号)时运行，以及雷管60经配置以便通过相反极性的电流(点火信号)启动。

[00017]虽然空隙51被描述为空隙或空间，但是应当理解术语“间隙”仅表示在传送媒介中的间断。该间断同样可以通过沿着控制信号的传送路径插入不导电材料或绝缘体来形成。

[00018]虽然操作器56被显示为使用电-机械驱动单元，但是本发明不限于这些设备。相反，使用以水力、气体力、磁性和爆炸的形式的能量的其它驱动单元同样可以使用。例如，操作器56可以包括给予活塞汽缸配置能量的液压或气压泵。其它适合的配置可以使用易碎元件，其中该易碎元件破裂时释放在束64与雷管60之间形成桥的导体

[00019]现在参考图1和2，在操作的一个实施模式中，带有点火控制接头50的处于“安全”模式中的枪列62被运输进入孔。枪列62放置在待射孔的井眼的部分中之后，来自地面控制器30的控制信号被传送到一个或更多的选择的接头50以便使相关枪34、36、38进入“武装”模式。这可以是同时或顺序地传送控制信号。其后，可以执行连续性检查以便检验被选择的一个或多个接头50已经建立合适的电路。这时，一个或多个点火信号可以传送以便引爆所选择的枪。在一些应用中，枪列32可以被移动到其它位置而且另一个枪或枪室被武装和点火，等等。

[00020]某些应用中，第二控制信号可以被发送到接头50以便返回到“安全”模式。这可能是有利的，例如，如果故障已经阻止射孔枪点火且故障枪将从井眼中抽出。

[00021]现在参考图3，显示了根据本发明制作的另一个点火控制单元80的实施方案。图3实施方案中，用于多个枪的选择点火机械装置被合并为插入射孔枪列32(图1)中的单个接头(没有显示)。点火控制单元80包括操作器82和线束套具(wire harness)84。操作器82联结到诸如电导体束86的传送媒介而且线束套具84包括每一个都联结到枪34、36、38的雷管组件的导体88、90、92。一个实施方案中，操作器包括发动机94，其中该发动机94纵向驱动诸如轴96的构件和相关的接触头98。线束84套具包括多个适合与接触头98电联结的接触面100。在一种配置中，接触头98初始是不接触任何接触面100的，这可以认为是“安全”模式。操作器82的启动导致接触头98移动并以连续的方式与每一个接触面100接合，这样将与接触面100相关的枪置于“武装”模式。

[00022]图3实施方案的一种实例配置中，带有处于“安全”模式的枪34、36、38的射孔枪列32可以被运输到井眼中。例如，如果想要点火枪34，则控制信号被传送以便启动操作器82。响应于该控制信号，操作器82移动接触头98与用于通向枪34的导体88的合适接触面100接合。其后，点火信号可以被发送以便引爆枪34。

[00023]虽然描述了使用纵向运动的配置，但是应当理解其它配置同样可以使用。例如，可以使用诸如互补旋转圆盘的构件以便在信号源与一个或更多射孔枪之间选择性地建立传送路径。同样，仅为了简短而讨论了关于射孔枪的点火控制接头50。然而，应当理解，点火控制接头50可以用于其它诸如切管器(pipe cutter)的井下工具。

[00024]出于例证和解释的目的，前面的描述针对本发明的特别实施方案。但是对于本领域技术人员应当明白在不脱离本发明范围的情况下对于上面陈述的实施方案可能作许多修改和改变。下面的权利要求意图被解释为包含所有这样的修改和改变。

Claims (21)

1.一种用于对井眼射孔的装置，包括通过顺次联结多个枪形成的枪列和与每一个枪相关的雷管组件，该装置的特征在于：

(a)用于从地面控制器传输点火信号到每一个雷管组件的信号传送媒介，响应于点火信号该雷管组件引爆相关的枪；以及

(b)插入在信号传送媒介与至少一个雷管组件之间以便能够从地面控制器选择性传送点火信号到该至少一个雷管组件的操作器，该操作器响应于从地面控制器传送的控制信号允许点火信号仅传送到该至少一个雷管组件。

2.根据权利要求1的装置，其特征进一步在于：操作器通过在雷管与信号传送媒介之间的信号路径中形成间隙而选择性地基本上隔离该至少一个雷管组件。

3.根据权利要求1-2中的任何一个的装置，其特征进一步在于：操作器选择性地形成与雷管的信号传导路径，通过该信号传导路径点火信号被传输到该至少一个雷管。

4.根据权利要求1-3中的任何一个的装置，其特征进一步在于：操作器包括发动机，用于一接收到控制信号就驱动轴与雷管接触。

5.根据权利要求1-4中的任何一个的装置，其特征进一步在于：具有联结到该至少一个雷管组件的接触面的线束套具，且其特征进一步在于操作器选择性地接合该接触面。

6.根据权利要求1-5中的任何一个的装置，其特征进一步在于：信号传送媒介包括从地面控制器延伸到枪列的电导线束。

7.一种用于提供由多个枪形成的枪列的选择性点火的装置，其中每一个枪在一接收到通过信号传送媒介传输的点火信号就引爆，该装置的特征在于：

(a)选择性联结枪列中的至少一个枪到信号传送媒介的操作器，该操作器具有安全状态以及武装状态，该操作器一接收到来自地面源的控制信号就从安全状态移动到武装状态，其特征进一步在于：在安全状态下该操作器将枪与通过信号传送媒介传输的点火信号隔离，在武装状态下该操作器形成枪与信号传送媒介之间的信号通路以便由此将点火信号传输到枪。

8.根据权利要求7的装置，其特征进一步在于：操作器包括选择性地接合雷管的传导构件。

9.根据权利要求7-8中的任何一个的装置，其特征进一步在于：操作器包括发动机，用于移动传导构件与该至少一个枪接合以便由此形成传送点火信号到该至少一个枪的信号通路。

10.根据权利要求7-9中的任何一个的装置，其特征进一步在于：点火信号是一个极性的电信号而控制信号是与点火信号极性相反的极性的电信号。

11.根据权利要求7-10中的任何一个的装置，其特征进一步在于：信号传送媒介是适合传输点火信号和控制信号的电导线束，以及操作器包括响应于控制信号的电发动机。

12.根据权利要求7-11中的任何一个的装置，进一步包括至少两个操作器，每一个操作器与至少一个枪相关。

13.根据权利要求7-12中的任何一个的装置，其特征进一步在于：操作器与至少两个枪相关。

14.一种用于对井眼射孔的方法，包括通过顺次联结多个枪形成枪列，其中每一个枪被联结到雷管组件，该方法的特征在于：

(a)提供用于传输点火信号到每一个雷管的信号传送媒介，其中每一个雷管组件响应于点火信号引爆相关的枪；

(b)用操作器将多个枪中的第一枪连接到信号传送媒介，其中该操作器被配置为选择性地接合联结到第一枪的第一雷管组件，该操作器初始地与第一雷管组件脱离接合；

(c)将枪列运输到井眼中；

(d)将枪列放置在井眼中与待射孔的井眼部分对应的深度处；

(e)从地面传送控制信号到操作器，该操作器响应于控制信号接合第一雷管组件；以及

(f)传送点火信号以便引爆第一雷管组件并且由此对第一枪点火。

15.根据权利要求14的方法，其特征进一步在于：操作器将至少两个枪连接到信号传送媒介。

16.根据权利要求14的方法，进一步包括：

(a)使用第二操作器将第二枪连接到信号传输媒介；

(b)从地面传送第二控制信号到第二操作器，该第二操作器响应于第二控制信号接合第二雷管组件；以及

(f)传送第二点火信号以便引爆第二雷管组件并且由此对第二枪点火。

17.根据权利要求16的方法，其特征进一步在于：以(i)连续地，和(ii)同时地，中的一种方式传送第一和第二点火信号。

18.根据权利要求16-17中的任何一个的方法，其特征进一步在于：在传送第一点火信号后重新放置枪列。

19.根据权利要求16-18中的任何一个的方法，其特征进一步在于：传送第三控制信号到第一操作器，其中该第一操作器一接收到第三控制信号就与第一雷管脱离接合。

20.根据权利要求16-19中的任何一个的方法，其特征进一步在于：第一点火信号是下列中的一个：(i)电信号，(ii)声信号，(iii)压力信号，(iv)热信号，以及(v)弹道信号。

21.根据权利要求16-20中的任何一个的方法，其特征进一步在于：第一控制信号是下列中的一个：(i)电信号，(ii)声信号，(iii)压力信号，(iv)热信号，以及(v)弹道信号。

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