CN103119392A

CN103119392A - 与石油井穿孔器相关的改进

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Publication number: CN103119392A
Application number: CN2011800371932A
Authority: CN
Inventors: P.D.丘奇; R.P.克拉里奇; P.J.古尔德; R.G.汤斯利
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: WO2012013926A8; MX343204B; CN103119392B; US20220113120A1; GB201012716D0; AU2011284544A1; EP2598830A1; AU2011284544B2; US20200300586A1; US10704867B2; WO2012013926A1; BR112013001727B1; MX2013001031A; US20130126238A1; BR112013001727A2; CA2805330A1; CA2805330C; EP2598830B1; US11112221B2

Abstract

提供在引爆后能够提供放热反应的石油和天然气井聚能射孔弹穿孔器，包括壳体（2）、高性能炸药（3）和反应性衬里（6），其中，高性能炸药位于反应性衬里和壳体之间。反应性衬里（6）由在切割喷流形成期间能够支持放热反应的反应性成分制成。所述成分是包括至少两种金属的挤压即压制颗粒成分，其中，一种金属作为球形颗粒存在，另一种金属作为非球形颗粒存在。还可以存在不能与反应性成分放热反应的至少一种其它金属，以大于衬里的10％w/w的量存在。为了有助于压实，还可以添加粘合剂。

Description

与石油井穿孔器相关的改进

技术领域

本发明涉及一种用于穿孔和破裂地下井完成的穿孔器的反应性聚能射孔弹衬里。本发明还涉及包括所述衬里的穿孔器和穿孔枪，以及使用这种装置的方法。

背景技术

到目前为止，在套管井内进行完井时最显著的过程为在生产区（也称作地层）与井筒之间提供流动路径。通常，提供这种流动路径通过使用穿孔器完成，最初在套管上产生孔眼并之后经由水泥层穿入地层中。该过程通常被称为穿孔。通常，穿孔器采用聚能射孔弹的形式。在下文中，除非另有限定，任何涉及的穿孔器都应当指聚能射孔弹穿孔器。

聚能射孔弹为一种高能设备，其由壳体构成，在壳体内设置有衬里，通常是金属衬里。该衬里提供了空腔的一个内表面，其余表面由壳体提供。所述空腔填充有炸药，当炸药被引爆时，其可使衬里材料破裂并以材料的高速喷流形式从套管喷出。这一喷流撞击在井套管上，从而产生孔眼，且喷流之后继续穿入地层本身，直至所述喷流的动能被地层内的材料克服为止。通常，在邻近地层的套管的特定区域内需要大量的穿孔。为此，通过钢丝绳、盘管或本领域技术人员所熟知的任意其它技术将所谓的穿孔枪布置在套管内。该枪实际上为用于多个穿孔器的托架，所述穿孔器具有相同或不同输出。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种反应性石油和天然气井聚能射孔弹穿孔器衬里，包括至少两种金属成分的反应性成分，其中，所述衬里是包括球形金属颗粒和非球形金属颗粒的压制颗粒成分。通过反应性，我们指的是在相关聚能射孔弹设备引爆后球形金属颗粒和非球形金属颗粒一起能够放热反应，以形成金属间化合物。

存在放热的且可用于烟火应用的许多金属间合金反应。例如，铝和钯之间的合金反应释放327 cals/g和铝/镍系统，从而产生化合物Ni-Al，释放329 cals/g（2290 cals/cm³）。相比而言，在引爆时，TNT给予大约2300 cals/cm³的总能量释放，从而反应具有与TNT引爆类似的能量密度，但是当然没有气体释放。形成Ni-Al的热量是在293开氏度时大约17000 cal/mol，且由于在两种不类似金属之间形成的新键。

在常规聚能射孔弹中，能量通过喷流的高动能的直接撞击产生。另一方面，反应性喷流构成附加热能源，其可以用于施加到目标底层中（从而引起对岩层的更多损害，与不反应喷流相比）。岩层通常是多孔的，且在所述孔中包括烃（气体和液体）和/或水。在包括根据本发明的反应性衬里的聚能射孔弹中，通过喷流的直接撞击且还通过来自于放热反应成分的加热效果引起断口。该加热效果通过物理手段施加进一步损害，例如由于在石油和/或天然气完井中存在的流体的快速加热和伴随的膨胀。这增加流体的压力，从而引起岩层破裂。在完井中反应性成分和材料之间还可能存在一定程度的化学反应。增加的断口增加了石油和天然气流出岩层可用的总穿透深度和容积。要清楚的是，孔的深度和宽度的增加导致更大的孔容积和石油或天然气流动的伴随改进，即，流体可以流动的孔容积的更大表面面积。

为了金属颗粒成分适合用于聚能射孔弹衬里，期望金属间反应可以在合适阈值下冲击引发。镍和铝粉末混合物的冲击引发化学反应的经验和理论研究表明，反应的阈值压力对于球形颗粒成分是大约14 GPa。该压力在用于大多数聚能射孔弹应用中的现代炸药的冲击波中容易获得，从而Ni-Al可以用于聚能射孔弹衬里，以给予反应性高温喷流。喷流温度估计为2200开氏度。Pd-Al系统也适合用于聚能射孔弹衬里。然而，钯是昂贵的铂族金属，因而，镍-铝系统具有显著的经济优势。

还期望从衬里获得可能的最大能量量，通过确保金属间反应完成，接近完成或者尽可能接近完成。

成分金属的颗粒尺寸对得到的聚能射孔弹喷流的属性的影响也已知为获得良好性能的重要因素。微米和纳米尺寸铝和镍粉末均可商业获得，且其混合物经受快速的自维持的放热反应。这种类型的热Ni-Al喷流对一定范围的目标材料是高度反应性的；特别是水化硅酸盐被有利地攻击。

尽管使用微米和亚微米颗粒，然而发明人已经发现，在一些衬里应用中，金属间反应并不总是完成。因而，金属间反应可用的能量并未完全提取，因而断口和损害不是最优。此外，在一些应用（最特别的是在较小聚能射孔弹的情况下）中，已经观察到增强的穿孔效果降低。这应当是因为在某些衬里/炸药射孔弹配置（例如，在较小聚能射孔弹中采用的配置）中，反应可能不会在贯穿衬里的可用容积内完成，这继而可能是因为特定几何形状导致衬里中的不一致性能。换句话说，在衬里的某些区域，激活阈值可能未超过且金属间反应可能未发生。

上述激活阈值可简单地指代激活压力（更具体地，冲击压力），但是激活阈值更可能指代多个因素的组合，例如压力、变形和/或热力因素。更一般地，激活阈值指代施加给系统的总能量，且可以认为是激活能量。当然，技术人员将认识到，在使用中，聚能射孔弹衬里的物理和化学性能复杂，且本发明并不旨在受到激活阈值的任何阐述的限制。

在本发明中，衬里的反应性成分包括具有不同形态的金属颗粒。更具体地，衬里包括具有球形金属颗粒和非球形金属颗粒的压制成分。使用球形和非球形颗粒（尤其是球形和片状颗粒）的混合物的一个优势在于，与仅仅包括球形金属颗粒的混合物相比，启动金属间反应所需的激活能量或外部施加压力减小。另一个优势在于，金属间反应更可能完成，因而，衬里的放热能量输出增加。又一个优势在于，反应性衬里的材料通常被耗尽，从而在刚刚形成的孔中没有留下衬里材料嵌片。（在非反应性衬里的情况下，留下的嵌片可形成对从完井的石油和/或天然气流的又一个障碍）。

为了清楚，压制颗粒成分是包括已经被压制的球形金属颗粒和非球形金属颗粒（即，球形和非球形颗粒已经被压制在一起）的颗粒成分。将理解的是，压制过程可以引起成分颗粒的一些变形，从而球形金属颗粒例如变得稍微非球形。然而，非球形颗粒的纵横比仍然大于球形颗粒。

颗粒可以具有压制金属衬里的颗粒的任何常用尺寸，例如微米、亚微米或甚至纳米尺寸粉末，只要非球形金属颗粒具有比球形金属颗粒更大的纵横比。在非球形颗粒的情况下，一个或多个尺寸可具有与一个或多个其它尺寸不同的尺寸量级。通过说明的方式，非球形颗粒可以是具有100×50微米量级（比如）的平面尺寸的片，但是厚度可以是纳米度量（比如大约1 nm）。

术语“纵横比”指的是其较长或最长尺寸与其较短或最短尺寸的比。

术语“球形颗粒”指的是通过标准制造方法生产为球形或接近球形颗粒的颗粒。这可以包括例如扁球体。

优选地，球形颗粒具有的直径小于非球形金属颗粒的平均最长尺寸。在优选配置中，球形颗粒具有的平均直径为50微米或更小，更优选25微米或更小，最优选在5微米至20微米的范围内。优选地，非球形金属颗粒的平均最长尺寸为球形颗粒的直径的至少两倍。

优选地，非球形金属选自片状、杆形或椭球形颗粒，更优选为片状颗粒。在优选配置中，非球形颗粒是片状颗粒，且具有的纵横比优选小于500：1，更优选小于300：1，具有的纵横比更优选在10：1至300：1的范围内，具有的纵横比最优选在50：1至200：1的范围内。优选地，非球形金属颗粒具有小于300微米的平均最长尺寸，更优选在2微米至50微米范围内的平均最长尺寸。

技术人员将认识到，术语“片”通常指的是平坦的薄材料件。在本发明中，片可以具有任何便利的规则或不规则形状，优选为规则形状，例如方形、矩形、圆盘、椭圆或叶形。矩形或方形片最优选。优选地，但不是必要地，片状颗粒是平面的或接近平面的。

优选地，至少两种金属中的更具延展性金属选择为球形颗粒。这是因为发明人已经发现，在引爆后，冲击波引起的压缩提供更好的颗粒混合，因而更高反应可能性。由于该原因，在反应性成分中存在时，铝通常优选作为球形颗粒。

衬里还可以包括至少一种其它惰性金属，其相对于其余反应性成分基本上是惰性的，其它金属优选以大于衬里的10％ w/w的量存在。更优选地，所述至少一种其它金属以大于衬里的20％ w/w（甚至更优选大于衬里的40％ w/w）的量存在。在又一优选选择中，其它金属以衬里的40％至95％ w/w的范围存在，更优选40％至80％ w/w的范围，更优选衬里的40％至70％ w/w的范围。重量w/w的重量百分比是相对于衬里的总成分而言的。

所述至少一种其它金属可以认为是相对于其余反应性成分是基本上不反应的或者基本上惰性的。通过术语“基本上惰性”，我们指的是与在形成反应性成分的非球形和球形颗粒之间的形成能相比，其它金属与反应性成分仅仅具有减少的形成能（如果认为有的话）。

所述至少一种其它金属优选地选自高密度金属。特别适合的金属是铜或钨，或其混合物，或其合金。所述至少一种其它金属优选混合且一致地分散在反应性成分内以形成混合物。可选地，衬里还可以包括至少一种其它金属层，所述层通常由反应性成分层覆盖。所述层然后可以通过任何已知挤压技术挤压以形成压实或压制衬里。

与铝和片状金属颗粒（例如，镍或钯）之间的反应相比，铝（例如）和所述至少一种其它金属（例如钨或铜）之间的反应可能较不利且放热少，因而不太可能是这种反应的主要产物。然而，技术人员将清楚，虽然所述至少一种其它金属和铝之间的反应较不利，但是在详细研究后仍然可观察微量的这种反应产物。

如上所述，在相关聚能射孔弹设备引爆后，球形金属颗粒和非球形金属颗粒一起能够放热反应以形成金属间化合物。因而，相应金属被选择使得在供应足够能量（即，超过引起放热反应的激活能量的能量量）时，金属颗粒将反应以产生大量的能量，通常以热量的形式。

使用球形颗粒和非球形金属颗粒的非化学计量比量将提供放热反应。然而，这种成分可能不提供最佳能量量。在优选实施例中，衬里的放热反应通过使用至少两种金属的基本上化学计量比（摩尔）混合物实现。所述至少两种金属优选被选择，使得其在聚能射孔弹衬里激活后产生电子化合物，伴随热量和/或光的释放。反应通常仅仅涉及两种金属，但是涉及多于两种金属的金属间反应是已知的且不从本发明排除。

存在可以形成的许多不同电子化合物（也称为金属间电子化合物或电子金属间化合物）。便利地，这些化合物可以分组为Hume-Rothery化合物。电子化合物通常通过高熔点金属（例如，Cu、Ag、Au、Fe、Co、Ni）与较低熔点金属（例如，Cd、Al、Sn、Zn、Be）反应形成。Hume-Rothery类别借助于其价电子浓度来辨别金属间化合物，即构成化学键的价电子-原子比（N_E：N_A）。通常，这可以表示为简单整数的商。示例性比为3/2、7/4和21/13。

优选地，在本发明中，所述至少两种金属被选择以产生Hume- Rothery金属间化合物，更优选地，所述至少两种金属被选择以在操作中产生具有选自3/2、7/4、9/4和21/13的电子-原子比的金属间化合物。本发明的反应性衬里在两种金属（即，球形金属颗粒和非球形金属颗粒）以被计算给予3/2、7/4、9/4或21/13的电子-原子比（更优选3价电子-2原子比）的相应比例提供时给予特别有效的结果。最优选地，反应性成分包括可以反应以形成具有3/2电子-原子比的Hume- Rothery化合物的两种金属。

因而，有利的放热能量输出可以在本发明使用化学计量比成分实现，例如Co-Al、Fe-Al、Pd-Al、CuZn、Au₃Al、C₅Sn和Ni-Al（其全部具有3/2的电子浓度）。基于铝的成分特别适合，因为Al是便宜的、可容易获得的材料。优选地，但不是必要地，铝是球形颗粒，且另一种金属是非球形（优选为片状）材料。更优选成分是镍和铝，钯和铝，优选以化学计量比数量混合。上述示例，在被迫经受反应时，提供完美的热输出，且在镍、铁和铝的情况下，是相对便宜的材料。最优选成分是Ni-Al。

通过示例，对于根据本发明的NiAl衬里，观察到重要益处。使用单轴向应变测试系统，已经表明，当两种金属都作为球形金属颗粒存在时，衬里仅仅在经受>～14 GPa的峰值反射压力时反应。该数字对于球形铝和片状镍来说减小为大约6 GPa。使用较低阈值压力来引起金属间反应（与聚能射孔弹的三轴向应力系统的较低激活能量相对应）的一个优势在于确保较大百分比的反应完成。较低阈值压力的又一个优势在于，较低输出炸药可以用于产生相同效果。这对于小聚能射孔弹（即，具有小于大约32 mm的直径的聚能射孔弹）的衬里特别有益，特别是衬里厚度开始表示颗粒尺寸的显著部分的衬里。

优选地，反应性成分包括铝和至少一种金属，铝与所述至少一种金属放热反应以形成金属间化合物。更优选地，反应性成分包括铝和选自以下组的至少一种金属：Ce、Fe、Co、Li、Mg、Mo、Ni、Nb、Pb、Pd、Ta、Ti、Zn和Zr；更优选地选自以下组：Ce、Fe、Co、Li、Mg、Ni、Pb、Pd、Ti、Zn和Zr；最优选地选自以下组：Fe、Co、Ni和Pd，以已知在混合时产生放热事件的组合。铝可以作为球形颗粒提供，所述至少一种金属作为非球形颗粒，或者反之亦然。

在一个优选实施例中，衬里成分包括球形铝和至少一种片状金属颗粒。在供应足够能量（即，超过引起放热反应的激活能量的能量量）时，所述成分反应以产生大量的能量，通常以热量的形式。启动电子化合物（即，金属间）反应的能量通过聚能射孔弹设备中的高性能炸药引爆来供应。

在优选实施例中，非球形金属可以选自周期表类别中的族VIIIA、VIIA、VIA、IIB和IB中的任一个的金属。优选地，金属选自族VIIIA、VIIA、和IIB，更优选为族VIIIA。理想地，非球形金属选自包括铁、钴、镍和钯的组。

衬里可通过任何合适方法制备，例如通过挤压所述成分以形成生压坯。将清楚的是，必须考虑在形成衬里期间施加给反应性材料的任何机械或热能，从而避免不希望的放热反应。优选地，衬里是反应性成分和所述至少一种其它金属的颗粒的混合物。优选地，衬里通过使用已知方法挤压颗粒混合物形成，以形成挤压（也称为压制或压实）衬里。

在挤压反应性成分以形成生压制衬里的情况下，可能需要粘合剂。粘合剂可以是粉末软金属或非金属材料。优选地，粘合剂包括聚合材料（例如PTFE）或有机化合物（例如，硬脂酸酯、石蜡或环氧树脂）。可选地，粘合剂可以选自高能粘合剂，例如Polyglyn（聚缩水甘油硝酸酯）、GAP（聚叠氮缩水甘油醚）或Polynimmo（聚(3-甲基硝酸酯-3-甲基环氧丁烷)）。粘合剂还可以是金属硬脂酸盐，例如硬脂酸锂或硬脂酸锌。

便利地，形成衬里成分的一部分的球形颗粒和/或非球形颗粒和/或其它金属用一种前述粘合剂材料涂覆。通常，粘合剂，不管是用于预先涂覆金属还是直接混合到含有金属的成分中，以按质量计1％至5％的范围存在。

有利地，如果在反应性衬里的成分中球形颗粒和非球形颗粒（例如，镍和铝，或者铁和铝，或者钯和铝）的最长尺寸小于10微米，甚至更优选小于1微米，那么衬里的反应性和因而放热反应速率将进一步增加。由此，从可容易获得材料（如前文公开的那些）形成的反应性成分可提供这样的衬里，不仅具有切割喷流的动能（由炸药提供），还具有来自于成分的放热化学反应的附加热能。

在小于0.1微米的颗粒直径尺寸时，反应性成分中的金属作为聚能射孔弹衬里材料日益具有吸引力，由于其由于反应性成分的较高相对表面面积引起的进一步提高的放热输出。减小颗粒直径的又一个优势在于，随着所述至少一种其它金属的颗粒尺寸减小，在压实时可实现的实际密度增加。随着颗粒尺寸减小，可以实现的实际压实密度开始趋近所述至少一种其它金属的理论最大密度。

反应性衬里厚度可以选自任何已知或常用壁衬里几何形状厚度。衬里壁厚度通常相对于衬里基部直径表示且优选选自衬里直径的1至10％的范围，更优选为衬里直径的1至5％的范围。在一个配置中，衬里可以具有渐缩厚度的壁，从而在衬里顶点处的厚度与衬里基部处的厚度相比减小。可选地，锥度可以选择，使得衬里的顶点比朝向其基部的衬里壁显著更厚。又一个可选方案为，衬里的厚度跨过其表面区域或截面不一致；例如，锥形衬里（截面），其中，斜率/斜度包括围绕衬里轴线划线的混合半角以产生可变厚度的衬里。

衬里的形状可以选自任何已知或常用聚能射孔弹衬里形状，例如大致锥形、郁金香、喇叭或半球形。

根据本发明的另一方面，提供一种反应性石油和天然气井聚能射孔弹穿孔器衬里，包括压制颗粒反应性成分，所述成分包括铝颗粒和至少一种金属颗粒，其中，所述至少一种金属颗粒的纵横比大于铝颗粒。通过反应性，我们指的是在相关聚能射孔弹设备引爆后铝颗粒和至少一种金属颗粒一起能够放热反应，以形成金属间化合物。

优选地，所述成分包括能够放热反应的两种金属，第一金属选自铝，第二金属选自族VIIIA、VIIA和IIB中的任一个，其中，第二金属颗粒的纵横比大于铝颗粒。

本发明的另一方面提供一种生产反应性聚能射孔弹衬里的方法，所述方法包括步骤：提供至少两种金属的成分以及压制所述成分以形成衬里，其中，所述成分包括球形金属颗粒和非球形金属颗粒。通过反应性，我们指的是在相关聚能射孔弹设备引爆后球形金属颗粒和非球形金属颗粒一起能够放热反应，以形成金属间化合物。

根据本发明的又一方面，提供反应性成分在石油和天然气井聚能射孔弹穿孔器衬里中的用途，所述反应性成分包括至少两种金属，其中，衬里是包括大致球形金属颗粒和非球形金属颗粒的压制颗粒成分。

还提供一种改进从石油或天然气井的流体流出的方法，包括步骤：使用根据本发明的反应性衬里。优选地，来自于金属间反应（即，来自于衬里）的能量施加给井的饱和底层。

还提供适合用于聚能射孔弹衬里的压制颗粒反应性成分，所述成分包括铝和与铝经受放热金属间反应的至少一种金属，其中，所述至少一种金属颗粒的纵横比大于铝颗粒。操作中，所述成分在激活相关聚能射孔弹时提供热能，所述热能施加给井的饱和底层。

本发明的另一方面包括适合于井下使用的聚能射孔弹，包括壳体、一定数量的高性能炸药和位于壳体内的如前文所述的衬里，所述高性能炸药位于衬里和壳体之间。

优选地，所述壳体由钢制成，但是取而代之，所述壳体可部分或全部由前文限定的反应性衬里成分中的一种形成，优选通过前述挤压技术中的一种。在后一情况下，在引爆时，外壳将通过反应耗尽。有利地，这减少形成碎片的可能性。如果碎片未通过穿孔枪的边界基本上截留，可引起对从完井的石油和/或天然气流的又一个障碍。

高性能炸药可选自如下高性能炸药产品范围，如RDX、TNT、RDX/TNT、HMX、HMX/RDX、TATB、HNS。易于理解，划分为高性能炸药的任何合适高能材料可以用在本发明中。然而，由于井筒中经历的升高温度，因此一些炸药类型优选用于石油井穿孔器。

作为开口端的最宽点处的衬里直径可具有与壳体基本上相同的直径，以便可被认为是全口径衬里（full calibre liner），或者可选地，衬里可以选择为小口径衬里（sub calibre liner），以便衬里的直径在全直径的80％-95％的范围内。在具有全口径衬里的典型圆锥形聚能射孔弹中，衬里基部与壳体之间的爆炸载荷是很小的，从而在使用时圆锥的基部将仅仅经受最小的载荷量。因此，在小口径衬里内，衬里的基部和壳体之间可以装有较大质量的高性能炸药以确保更大比例的基部衬里转变成切割喷流。

穿入完井中的深度是完井工程中的关键因素，从而通常期望垂直于套管点火穿孔器以实现最大穿透，如现有技术中突出的那样，通常还垂直于彼此以实现最大深度每次射孔。还期望定位和对齐穿孔器中的至少两个，使得切割喷流将在相同点处或附近会聚、相交或碰撞。在可选实施例中，至少两个穿孔器被定位和对齐，使得切割喷流将在相同点处或附近会聚、相交或碰撞，其中，至少一个穿孔器是前文限定的反应性穿孔器。特定应用的穿孔器的定相是完井工程师要考虑的重要因素。

前文所述的穿孔器可以直接插入到任何地下的完井中，然而，常常期望使所述穿孔器并入穿孔枪中以允许多个穿孔器布置在完井中。

根据本发明的另一方面，提供使用一个或多个聚能射孔弹穿孔器或者前文限定的一个或多个穿孔枪完成石油或天然气井的方法。

技术人员将理解，流入是来自于完井的流体流，例如石油或天然气。

便利地，流体流入的改进可通过使用反应性衬里来提供，其反应以产生超过2000 K的温度的喷流，使得在使用中所述喷流与石油或天然气井的饱和底层反应，从而引起逐渐露出的穿孔枪隧道中的增加压力。在优选实施例中，石油或天然气井在基本上中性平衡条件下完成。这是特别有利的，因为许多完井使用欠平衡条件下进行以从穿孔的孔去除碎屑。在完井中产生欠平衡需要附加设备和费用。便利地，石油或天然气井的流入的改进可通过使用前文限定的一个或多个穿孔器或一个或多个穿孔枪获得。

因而，还提供一种旨在进行改进从井的流入的方法的石油和天然气井穿孔系统，包括前文限定的一个或多个穿孔枪或一个或多个聚能射孔弹穿孔器。

根据本发明的另一方面，提供前文限定的反应性衬里或穿孔器用来增加石油或天然气完井中的断口的用途，从而改进来自于所述井的流入。

本发明的又一方面提供前文限定的反应性衬里或穿孔器或穿孔枪用来减少穿孔隧道中的碎屑的用途。这种碎屑的减小在本领域中通常称为清理。

根据本发明的另一方面，提供一种改进从井流入的方法，包括步骤：使用根据本发明的至少一个衬里、穿孔器或穿孔枪来对井进行穿孔。流入性能借助于所形成的改进穿孔来改进，其具有较大直径，在穿孔隧道端部处的较大表面面积和清理的孔（基本上没有碎屑的孔）。

之前在本领域中，为了在岩层中形成大直径隧道/断口，采用大孔穿孔器。大孔穿孔器设计成提供大的孔，显著减少穿入岩层的深度。工程师可以使用大孔穿孔器和标准穿孔器的组合来实现期望深度和容积。可选地，使用串联设备衬里，其包含大孔穿孔器和标准穿孔器两者。这通常导致穿孔枪中较少穿孔器每单位长度，且可以引起减少流入。大孔穿孔器还可以用在粉碎粉末形成中，与砂筛结合，以避免在松砂/粉末穿孔后的流入。

有利地，前文限定的反应性衬里和穿孔器引起穿孔深度和容积的增加，使用仅仅一个聚能射孔弹设备。另一优势在于，根据本发明的反应性衬里执行深度和直径（即，孔容积）的双重作用，从而没有炸药载荷的减小或每单位长度穿孔器数量的减小。

本发明的一个方面的任何特征可应用于本发明的任何其它方面，在任何合适组合。具体地，设备方面可应用于方法和/或用途方面，且反之亦然。

附图说明

为了帮助理解本发明，现在借助示例并参考附图来描述本发明的多个实施例，其中：

图1为沿包含根据本发明的衬里的聚能射孔弹设备的纵向轴线的截面图；

图2是可以使用根据本发明实施例的穿孔器的完井的截面图；

图3是用于测试在本发明衬里中使用的反应性成分的炸药砧台系统的示意图；和

图4是在图3的系统中测试的非球形/球形NiAl颗粒成分的XRD轨迹。

具体实施方式

图1是具有大致常规配置的聚能射孔弹的截面图，通常围绕中心线1对称，包括由金属（通常但不是排他地，钢）、聚合物、GRP或根据本发明的反应性材料制成的大致圆柱形壳体2。根据本发明的衬里6具有通常为衬里直径1至5％的壁厚，但是在极端情况下可以高达10％，且为了最大化性能具有可变衬里厚度。衬里6紧密地装配在圆柱形壳体2的开口端部8中。高性能炸药材料3位于封装在壳体和衬里之间的容积中。高性能炸药材料3在设备的封闭端部处启动，靠近衬里的顶点7，通常通过位于凹部4中的引爆器或引爆传输索。

制造衬里的一种方法通过在模具中挤压一定度量的紧密混合和混和粉末以产生最终衬里作为生压坯。可选地，紧密混合粉末可以以上述相同方式使用，但是生压制产品接近成品形状，从而允许发生一定形式的烧结或渗透过程。

具体描述的本发明的变型对本领域技术人员来说是显而易见的，且认为落入本发明的范围内。例如，生产微粒衬里的其它方法是合适的。

参考图2，示出了井21完成的阶段，其中，井筒23已经钻到分别在未压实和压实地层中的一对生产区25，27中。钢管状套管9在筒23内用水泥胶合。为了提供从生产区25，27进入最终在套管9和将在完井中存在的生产管（未示出）之间形成的环状体中的流动路径，需要穿孔套管9。为了在套管9中形成穿孔，枪11在钢丝绳、滑线或盘管13上适当地降低到套管中。枪11是钢的大致中空管，包括端口15，本发明的穿孔器射孔弹（未示出）通过该端口15点火。

示例

进行实验以使用类似初始密度和冲击载荷条件来比较以下样本的反应性能：

NiAl成分，包括1：1摩尔比的球形Ni颗粒和球形Al颗粒，各具有尺寸7-15微米。

NiAl成分，包括1：1摩尔比的片状Ni颗粒（44微米×0.37微米，纵横比119：1）和球形Al颗粒（5-15微米）。

所有测试样本的TMD是大约60％。

参考图3，炸药砧台系统30用于测试样本，系统包括钢砧台31、钢盖板32、SX2炸药33和RP80引爆器34。要测试的样本放置在砧台31的凹部35中。

使用6 mm厚的SX2进行初始测试。技术人员将认识到，阈值取决于冲击载荷的类型，因而关于砧台测试引用的载荷不必与聚能射孔弹的载荷相等。

样本经受冲击且恢复以便分析。已发现，根据本发明的Ni片/Al球样本经受接近100％反应以形成金属间化合物。X射线衍射（XRD）分析确认，主要反应产物是NiAl和Ni₂Al₃，具有微量的Ni₅Al₃和Ni₃Al（参见图4）。

相比而言，球形Ni/球形Al样本的大约5％反应以形成金属间化合物。测试使用9 mm厚的SX2重复。已发现，增加炸药载荷将反应程度增加大约10％。

可以得出，在相同载荷条件下，包括球形金属颗粒和非球形金属颗粒的反应性成分产生更多能量。相反，期望能量输出可以在较低引爆阈值下获得。由此得出结论，根据本发明的聚能射孔弹衬里提供类似益处。特别是对于小射孔弹，根据本发明的衬里可以用于最大化高温度的聚能射孔弹喷流的容积，从而确保更多热能功进入目标。

将理解的是，本发明在上文仅仅通过示例的方式描述，且可以在本发明范围内作出细节的变型。说明书和（在合适时）权利要求和附图中公开的每个特征可以独立地或者以任何合适组合提供。

Claims

1. 一种反应性石油和天然气井聚能射孔弹穿孔器衬里，包括至少两种金属的反应性成分，其中，所述衬里是包括球形金属颗粒和非球形金属颗粒的压制颗粒成分。

2. 根据权利要求1所述的衬里，其中，所述至少两种金属被选择，使得其在聚能射孔弹衬里激活后产生电子化合物。

3. 根据权利要求2所述的衬里，其中，所述电子化合物是具有3/2电子-原子比的Hume-Rothery化合物。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的衬里，其中，所述至少两种金属中更具延展性的金属选择为球形颗粒。

5. 根据前述任一权利要求所述的衬里，其中，球形金属颗粒是铝。

6. 根据前述任一权利要求所述的衬里，其中，非球形颗粒选自周期表类别中的族VIIIA、VIIA和IIB。

7. 根据前述任一权利要求所述的衬里，其中，非球形颗粒选自Ce、Fe、Co、Li、Mg、Mo、Ni、Nb、Pb、Pd、Ta、Ti、Zn或Zr。

8. 根据前述任一权利要求所述的衬里，其中，非球形颗粒选自片状、杆形或椭球形颗粒。

9. 根据权利要求8所述的衬里，其中，非球形颗粒具有大于2：1的纵横比。

10. 根据权利要求9所述的衬里，其中，所述至少一种金属具有10：1至200：1的范围内的纵横比。

11. 根据前述任一权利要求所述的衬里，其中，衬里还包括至少一种其它金属颗粒，其与所述至少两种金属是基本上惰性的，且所述其它金属以大于衬里的10％ w/w的量存在。

12. 根据权利要求11所述的衬里，其中，所述至少一种其它金属以衬里的40％至95％ w/w的范围存在。

13. 根据权利要求11或权利要求12所述的衬里，其中，所述至少一种其它金属选自铜、钨、其混合物、或其合金。

14. 根据前述任一权利要求所述的衬里，其中，非球形颗粒具有小于300微米的平均最长尺寸。

15. 根据权利要求14所述的衬里，其中，非球形颗粒具有2-50微米范围内的平均最长尺寸。

16. 根据前述任一权利要求所述的衬里，其中，球形颗粒具有50微米或更小的平均直径。

17. 根据前述任一权利要求所述的衬里，其中，所述至少两种金属和至少一个其它金属一致地分散以形成混合物。

18. 一种石油和天然气井聚能射孔弹穿孔器，包括根据前述任一权利要求所述的衬里。

19. 一种穿孔枪，包括根据权利要求18所述的一个或多个穿孔器。

20. 压制颗粒反应性成分在石油和天然气井聚能射孔弹穿孔器衬里中的用途，所述反应性成分是至少两种金属的成分，且包括大致球形金属颗粒和非球形金属颗粒。

21. 使用根据权利要求1至17中任一项所述的一个或多个聚能射孔弹衬里来完成石油或天然气井的方法。

22. 使用根据权利要求18所述的一个或多个聚能射孔弹穿孔器来完成石油或天然气井的方法。

23. 使用根据权利要求19所述的一个或多个穿孔枪来完成石油或天然气井的方法。

24. 根据权利要求21至23中任一项所述的方法，其中，至少两个穿孔器对齐，使得切割喷流将会聚、相交或碰撞。

25. 一种生产反应性聚能射孔弹衬里的方法，所述方法包括步骤：提供至少两种金属的成分以及压制所述成分以形成衬里，其中，所述成分包括球形金属颗粒和非球形金属颗粒。

26. 在说明书或附图中基本上如上文限定的任何产品、用途、方法或设备。

27. 参考附图在前文描述的任何新颖特征或特征组合。