CN103328764B - 硼聚能射孔弹 - Google Patents
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Abstract
一种聚能射孔弹，包含：壳体；位于壳体开口内的药型罩；和位于壳体与药型罩之间区域的炸药，其中药型罩和炸药中的至少一个包含含有硼和反应物金属的金属间混合物。所述反应物金属选自钛（Ti）、镁（Mg）、锆（Zr）、钼（Mo）以及它们的组合。一种用于在井中射孔的方法，包括：在井中定位射孔器，其中所述射孔器包含聚能射孔弹，所述聚能射孔弹包含：壳体；位于壳体开口内的药型罩；和位于壳体与药型罩之间区域的炸药，其中药型罩和炸药中的至少一个包含含有硼和反应物金属的金属间混合物；以及，引爆井中的聚能射孔弹。
Description
发明背景
发明领域
本发明一般而言涉及用于射孔的聚能射孔弹（shapedcharge），尤其是具有反应性药型罩(liner)的聚能射孔弹。
背景技术
在钻好井并且将套管用水泥固定在井中之后，创建射孔以使得地层中的开采层与井眼之间的流体可以连通。通常使用聚能射孔，其中将聚能射孔弹安装在射孔器（perforatinggun）中，并将射孔器通过电气线路（例如，电缆）或者油管（例如，开采油管、钻杆或挠性油管）运送到井中。
如图1所示，在钻好井11之后，通常将套管12放置在井11中，并以水泥固定于井11以保持井的完整性。在将套管12用水泥固定在井11中之后，可将套管12的与感兴趣的地层区域（或者称为“目标区域”）相邻的一个或多个部分射孔，以使得来自目标区域13的流体可流入井中，作为输送到地面的产品，或者使得可将注入流体施用到目标区域13。为了对套管部分射孔，可将射孔设备（例如射孔器15）下降到井11中，到达期望的深度，例如对应于周围地层16中的目标区域13的深度。接下来，发射一个或多个聚能射孔弹20以在套管12中生成孔，以及生成进入地层16的目标区域13中的射孔。然后，目标区域13中的开采流体可以流动经过裂缝，经过套管中的射孔，进入井眼。
射孔设备的聚能射孔弹通常包含位于聚能射孔弹壳体内的由药型罩封装的能量源。能量源通常包括爆炸材料。药型罩可以由金属、合金和/或陶瓷制成。将药型罩制成这样一种形状，以使得在炸药爆炸时，所释放的能量可将药型罩材料转化为定向射孔射流，穿透井套管和相邻地层，以创建射孔孔道。射孔孔道使得地层流体可与井眼相通。在某些情况下，残余药型罩材料会覆盖射孔孔道壁中的孔，会损害射孔孔道中的可通透性。另一方面，这些被转化为射孔射流的药型罩材料可以提供一个提高聚能射孔弹性能特性的机会。
近年来，研制出了具有反应性药型罩的聚能射孔弹。反应性药型罩由可以在射孔孔道中产生额外的热量和/或压力的反应性材料制成。这样的二次作用（secondaryevent）可以改进聚能射孔弹的性能特性。例如，反应性药型罩组合物可以包含可以在新生成的射孔孔道内产生大量热量的反应性金属或反应性金属的混合物，如Al、Ti、Mg、金属间混合物（例如，Al和Ni），或铝热剂混合物（例如，Al和金属氧化物）。
术语“铝热剂”是指包含金属粉末和金属氧化物的烟火组合物。铝热剂混合物会发生放热的氧化-还原反应，被称为铝热反应。大多数的铝热反应事实上是不爆炸的，但其特点是以非常高的热量的形式释放大量能量。铝（Al）是铝热剂组合物中所用的最常见的粉末。含Al的铝热剂组合物的例子包括Al／Fe2O3、Al／Fe3O4和Al/CuO，目前可将其加入到聚能射孔弹药型罩中。
由于Al氧化反应所释放的能量较多，铝热反应通常比金属间反应更加高能。然而，将铝热剂型混合物加入到聚能射孔弹药型罩的主要缺点是，唯一一种可用的方法包括将每个组分单独添加到用于产生药型罩的粉末混合物。例如，必须将Al粉末和Fe2O3粉末分别添加到药型罩粉末混合物。那么，在聚能射孔弹爆炸之后，射孔射流中的Al粉末和Fe2O3粉末需要在铝热反应发生之前彼此接触。因此，Al和Fe2O3颗粒需要彼此“接触”以发生反应，会导致反应速率下降，并且一些Al和Fe2O3有可能仍保持未反应的状态。
金属间组合物由两种或多种金属元素组成。一些金属间组合物成分当被活化时可以进行放热反应。这样的放热金属间反应可以用于射孔应用。例如，由LeslieBates和BrianBourne提出的名称为“ImprovementsinandRelatingToOilWellPerforators”的WO2005/035939公开了在聚能射孔弹药型罩中使用金属间反应系统。具体来说，WO2005/035939公开了在聚能射孔弹药型罩中使用Al/Ni和Al/Pd金属间组合物，以提高性能。
除了与金属氧化物一起使用，如在铝热剂混合物中，铝还可以与各种试剂反应产生热量。例如，2008年授权予LiquingLiu的名称为“UseofAluminuminPerforatingandStimulatingaSubterraneanFormationandotherEngineeringApplications”的美国专利No.7,393,423B2公开了基于不同的氧化反应，在药型罩中使用Al。
由LawrenceBehrmann和WenboYang提出的名称为“LinerforShapedCharges”的美国专利申请公布文本No.2009/0078144A1，公开了在药型罩中使用多种高能的金属，包括Ti、Mg和Al。来自SchlumbergerTechnologies(Houston,TX)的AstroSilverTM射孔弹也将Ti作为高能材料包含在药型罩中。这些类型的聚能射孔弹依赖于药型罩中的反应性元素以与爆炸分解产物或者位于射孔器外的材料（例如水或者储层岩石/流体）发生相互作用。
所有这些反应性药型罩都使聚能射孔特性得到加强。但是，改进聚能射孔弹技术和实现聚能射孔弹性能特性的进一步改进的需求仍然存在。
发明内容
本发明的一个方面涉及聚能射孔弹。根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹包含：壳体；位于壳体开口内的药型罩；和壳体与药型罩之间容纳炸药的区域，其中药型罩和炸药中的至少一个包含含有硼和反应物金属的金属间混合物。
本发明的一个方面涉及射孔器。根据本发明的一个实施方案的射孔器包含聚能射孔弹，所述聚能射孔弹包含：壳体；位于壳体开口内的药型罩；和位于壳体与药型罩之间区域的炸药，其中药型罩和炸药中的至少一个包含含有硼和反应物金属的金属间混合物。
本发明的一个方面涉及用于制造聚能射孔弹的方法。根据本发明的一个实施方案的方法包括：获得含有硼和反应物金属的金属间混合物；和制备聚能射孔弹，所述聚能射孔弹包含：壳体；位于壳体开口内的药型罩；和位于壳体与药型罩之间区域的炸药，其中药型罩和炸药中的至少一个包含含有硼和反应物金属的金属间混合物。
本发明的一个方面涉及用于在井中射孔的方法。根据本发明的一个实施方案的方法包括：定位射孔器；和引爆井中的聚能射孔弹，其中所述射孔器包含聚能射孔弹，所述聚能射孔弹包含：壳体；位于壳体开口内的药型罩；和位于壳体与药型罩之间区域的炸药，其中药型罩和炸药中的至少一个包含含有硼和反应物金属的金属间混合物。
从下面的描述和随附的权利要求，可清楚地了解本发明的其它方面和优势。
附图说明
图1显示了现有技术的射孔操作，并示例了设置在井中的射孔设备。
图2显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹的截面示意图。
图3显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹的截面示意图。
图4显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹的截面示意图。
图5显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹的截面示意图。
图6显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹的截面示意图。
图7显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹的截面示意图。
图8显示了根据本发明的一个实施方案的制造聚能射孔弹的方法。
图9显示了根据本发明的一个实施方案的用于在井中射孔的方法。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及聚能射孔弹和使用这种聚能射孔弹的方法。具体地说，本发明的实施方案涉及使用硼金属间反应以提高聚能射孔弹性能的聚能射孔弹。下面的描述涉及一些实施例，目的只是为了理解本发明。说明书不以任何方式来限制任何当前或随后的相关权利要求的范围。
如上所述，已使用各种方法来提高聚能射孔弹的性能，例如使用反应性药型罩。已经基于炸药在被引爆之后发生的不同放热反应尝试了几种类型的反应性药型罩。这些二次反应包括铝热反应、金属间反应等等。这些放热反应可以产生大量热量，其提高射孔孔道中的温度，并且使由于爆炸性分解而产生的任意气体膨胀。这实际上可以产生压力，使射孔孔道的壁上产生裂缝。这些反应系统也可以与其它产生气态副产品的组分组合，所述组合与升高的温度联合在一起可以加强压裂效应。
一些反应性药型罩包含可与外部组分反应的反应性金属，其中所述外部组分例如为地层中的组分或者炸药的分解产物。当引爆聚能射孔弹时，炸药或者推进剂所产生的分解产物主要包含CO2和水蒸气。CO2和水都可以对反应性金属（例如，Al、Ti、Mg、或B）进行氧化。因此，如果药型罩包含这样的反应性金属（例如，Al、Ti、Mg、或B），则二次反应会产生热量，实现更大的能量释放，从而导致更好的性能特性。
虽然硼当应用到这样的氧化反应时通常比Al更高能，并且可以潜在地用作高能添加剂以提高爆炸或推进性能，但是硼通常不用在这样的系统中。相反，铝更普遍地应用在这些类型的应用中。由于硼氧化期间所遭遇的情况复杂，硼通常不与推进剂和炸药一起使用。例如，在水的存在下，硼氧化会形成HBO2，其阻碍了随后的氧化，导致反应速率较慢和反应不完全（即，一些硼仍处于未反应的状态）。
硼也可用于铝热反应。例如，B/CuO铝热反应可产生738.1Cal/g的热量。然而，因为同样的原因（即，在水的存在下，反应速率将会变慢，反应的完全程度将受到显著的影响），所以在铝热剂混合物中，硼也不如铝那样被广泛使用。此外，将金属和金属氧化物组分加入到反应性药型罩中的方式存在着局限——它们必须以单独的粉末组分形式进行添加。引爆聚能射孔弹之后，为了发生铝热反应，这种情况要求这些组分将需要在射流或射孔孔道中彼此“接触”。
相反，本发明的实施方案在金属间反应中使用硼。硼型金属间反应具有吸引力，原因是它们不依赖于氧硼相互作用，从而使得人们可在不考虑影响反应速率的不良氧化效应的情况下使用硼。此外，与铝热反应不同，可将硼金属间组分以合金粉末、经金属涂覆的硼粉末或经硼涂覆的金属粉末形式加入；因此，这些组分已经准备好进行反应，不需要在引爆聚能射孔弹之后去接触彼此。
本文所使用的术语“金属间混合物”是指包含能够相互反应产生大量热量的两个金属成分的系统。硼型金属间混合物是以硼作为一种金属成分的金属间混合物。在硼型金属间混合物中的其它金属成分可以被称为“反应物金属”。本文所使用的术语“金属间混合物”可以包括两个成分被物理分离在聚能射孔弹的两个不同部分（例如药型罩和炸药）中的系统。这些“分离的”系统在本说明书中也将被称为“金属间混合物”，因为一旦聚能射孔弹被引爆，它们会变成混合物。此外，本文所描述的例子中的“金属间混合物”包含两个组分——硼和反应物金属。然而，本领域技术人员将要领会的是，在不脱离本发明范围的情况下，在金属间混合物中也可以使用三个或多个组分。
在下面的描述中，硼和反应物金属可以以粉末或颗粒的形式使用。为了清楚起见，本说明书可以使用广义的“粉末”以涵盖“颗粒”。具体地说，本说明书中任何地方提到了“粉末”，都可以用“颗粒”来代替，或者同时使用“粉末”和“颗粒”。
虽然铝作为铝热剂混合物中的组分或者作为用于氧化反应的反应性金属更有利，但硼实际上对于金属间反应更好，因为硼型金属间反应通常比Al型金属间反应释放更多的能量（即，放热更多）。例如，硼和钛金属间反应的平均ΔH值(B+Ti→TiB；2B+Ti→TiB2)是-4.02kJ/g，而ΔH(3Al+2Ni→Ni2Al3)＝-1.42kJ/g。
此外，许多其它金属可以在硼型金属间反应中与硼一起使用。下面的表1列出了一些可以产生大量热量的金属间混合物以及由这种金属间反应释放的能量。
表1
| 反应物 | ΔH(KJ/g) | 反应物- | ΔH(KJ/g) |
| 4B+C | -1.28 | 2B+Ta | -1.03 |
| 6B+Ce | -1.65 | 4B+Th | -0.79 |
| 2B+Cr | -1.28 | B+Ti | -2.73 |
| 2B+Hf | -1.68 | 2B+Ti | -5.52 |
| 6B+La | -2.34 | 2B+U | -0.62 |
| 2B+Mg | -2.00 | 4B+U | -0.87 |
| 6B+Mg | -1.05 | B+V | -2.24 |
| 2B+Mn | -1.23 | 2B+V | -2.81 |
| 2B+Mo | -0.82 | 5B+2W | -0.35 |
| 2B+Nb | -2.19 | 6B+Y | -0.65 |
| 6B+Sm | -0.97 | 2B+Zr | -2.86 |
| 6B+Si | -0.32 |
所有这些反应物金属都可以用于本发明的实施方案中，以参加与硼的金属间反应，从而产生大量热量。从表1可以看出，这些反应物金属(例如，La、Mg、Nb、Ti、V、和Zr)中的一些可以产生比其它反应物金属更多的热量。然而，这些反应物金属的成本将是要考虑的因素。因此，可以基于所需的效果和/或用途选择反应物金属的类型。例如，在根据本发明实施方案的金属间混合物可以包括Ti/B、Mg/B、Zr/B、Mo/B等等。
金属间混合物通常需要相对高的温度(通常＞1000K)以引发金属间反应。因此，可以将金属间混合物的组分混合在一起，不需要过分考虑由于长期储存而导致的危险或者退化。与铝热剂混合物相比，这是有利的。
因此，根据本发明的实施方案，可将待用在聚能射孔弹中的金属间混合物的组分混合进入聚能射孔弹的同一部分或不同部分。例如，根据本发明的一些实施方案，可将硼与反应物金属混合成为用于制造药型罩的粉末混合物，或者可将一个组分与炸药混合而将另一个组分混合进入药型罩中。
图2显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹20的横截面图。聚能射孔弹20包括药型罩22和壳体24，从而形成一个腔体。炸药26装在腔体中。此外，炸药引物28位于腔体的底座，以增强来自引爆线（未显示）的引爆。当引爆炸药时，药型罩22被转化成射孔射流，这也有助于将炸药26保持在壳体24的腔体内。
炸药26可以包含本领域公知的任何合适的爆炸材料，例如RDX（六氢-l,3,5-三硝基-l,3,5-三嗪）、HNS（六硝基茋）、HMX（1,3,5,7-四硝基-l,3,5,7-四氮杂环辛烷）、PETN（季戊四醇四硝酸酯）、TATB（三氨基三硝基苯）、和/或PYX（2,6-双苦基氨基-3,5-二硝基吡啶）。
根据本发明的一些实施方案，药型罩中可以包含金属间混合物中的硼和反应物金属。在这种结构中，硼金属和其它金属可以以以下几种方式包含于药型罩中：（i）都以单独的粉末或单独的颗粒形式添加；（ii）将反应物金属涂覆于硼颗粒上，或者将硼涂覆于反应物金属颗粒上；和（iii）将硼和反应物金属制成合金。
图3显示了本发明的一个实施方案，其中硼和反应物金属都以粉末和/或颗粒形式加入到药型罩中。图3是聚能射孔弹20的药型罩22和炸药26的横截面示意图。药型罩22可以包含含有硼粉末/颗粒30和反应物金属粉末/颗粒32的混合物。反应物金属粉末/颗粒32，例如，可以是Ti、Mg、Zr、Mo等等。在替代实施方案中，也可以把硼粉末和/或颗粒、以及反应物金属放入炸药中，而不放入药型罩中。
图4显示了本发明的一个实施方案，其中，在将硼颗粒和反应物金属添加到药型罩之前，将硼颗粒用反应物金属涂覆。图4显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹20的药型罩22和炸药26的横截面示意图。药型罩22包含金属间颗粒40，其是由反应物金属涂层44涂覆的硼颗粒42。反应物金属涂层44可以是Ti、Mg、Zr、Mo等等。本领域技术人员将领会的是，经涂覆的颗粒还可以包含作为核心的反应物金属和作为涂层的硼。
图5显示了本发明的一个实施方案，其中将硼和反应物金属以合金形式添加到药型罩。图5显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹20的药型罩22和炸药26的横截面示意图。药型罩22可以包含反应物金属-B合金粉末/颗粒50。反应物金属-B合金粉末/颗粒50可以包括Ti/B、Mg/B、Zr/B、Mo/B合金等等。
图6和7显示了本发明的其它实施方案，其中将硼与反应物金属添加到聚能射孔弹的分立部分。在这些实施方案中，硼与反应物金属严格意义上不在“混合物”中。然而，本文中所使用的术语“金属间混合物”意欲包括这些情况，其中将硼和反应物金属设置在聚能射孔弹的不同部分。尽管它们在聚能射孔弹的不同部分中，但是一旦引爆聚能射孔弹，这些组分将被混合，从而形成“混合物”。
图6显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹20的药型罩22和炸药26的横截面示意图。药型罩22可以包含硼粉末/颗粒60，炸药26可以包含反应物金属粉末/颗粒62。反应物金属粉末62可以包括Ti、Mg、Zr、Mo等等。在引爆射孔弹后，硼粉末60和金属粉末62可以在穿透射流中被混合在一起。
图7显示了图6所示实施方案的替代实施方案，其显示了根据本发明的一个实施方案的聚能射孔弹20的药型罩22和炸药26的横截面示意图。炸药26可以包含硼粉末70，药型罩22可以包含反应物金属粉末72。反应物金属粉末72可以包括Ti、Mg、Zr、Mo等等。在引爆射孔弹后，硼粉末70和金属粉末72可以在穿透射流中被混合在一起。
本发明的一些实施方案涉及制造上面描述的聚能射孔弹的方法。图8显示了根据本发明的一个实施方案的方法80。如图所示，方法80包括选择与硼一起在金属间混合物中使用的反应物金属的步骤（步骤81）。然后，确定如何将这些组分加入到聚能射孔弹中（步骤82）。例如，可将硼和反应物金属以药型罩中或者聚能射孔弹的分立部分（药型罩和炸药）中单独的粉末的形式加入到聚能射孔弹中。在这种情况下，在将这两个组分加入聚能射孔弹之前，不需要处理它们。或者，如上面所描述的，可将硼和反应物金属预加工成合金或经涂覆的颗粒。然后，将金属间组分用于制备包含金属间组分的聚能射孔弹（步骤83）。
本领域技术人员将会领会的是，图8所示的方法80仅仅是为了说明的目的。在不脱离本发明范围的情况下，针对这些步骤的许多变化和修改是有可能的。例如，可以从商业来源购买预先制造的合金或经涂覆的颗粒。在这种情况下，将不需要步骤81和82。
使用包含根据本发明实施方案的硼型金属间反应的聚能射孔弹的射孔装置，例如射孔器，可以用于射孔操作中。例如，图9显示了根据本发明的实施方案的对地层射孔的方法90。如图所示，该方法90包括在井眼中定位射孔器的步骤（步骤91），其中射孔器包含根据上面所示的本发明实施方案的具有硼型金属间混合物的聚能射孔弹。一旦射孔器位于井眼中的期望区域（深度），可以将聚能射孔弹引爆，从而在井套管和/或邻近地层中产生射孔（步骤92）。
本发明实施方案包括下列一个或多个优点。这里描述的根据本发明的实施方案可以将所有的反应性元素加入到聚能射孔弹本身中，从而导致反应系统更强壮（robust）且更可靠。例如，通过允许使用其中将反应物一起加入的经金属涂覆的B颗粒或金属-B合金（例如Ti-B合金）颗粒来调整反应物，本发明的聚能射孔弹可以提供更快的反应速率。此外，可以将B加入AstrosSilver聚能射孔弹技术，因为Ti-B反应可以增强高能特性。
虽然仅以有限的几个实施方案为例对本发明进行了描述，但得益于本公开文本的本领域技术人员将会认识到，在不脱离本文所公开的本发明的范围的情况下，可以设计出其它实施方案。因此，本发明的范围应当仅由随附的权利要求所限定。
Claims (9)
1.聚能射孔弹，包含：
壳体；
位于所述壳体开口内的药型罩；和，
位于所述壳体与所述药型罩之间的炸药，
其中所述药型罩和所述炸药中的至少一个包含含有硼和反应物金属的金属间混合物，
其中所述金属间混合物包含含有硼和反应物金属的经涂覆的颗粒。
2.如权利要求1所述的聚能射孔弹，其中所述金属间混合物包含硼和所述反应物金属的合金。
3.如权利要求1所述的聚能射孔弹，其中所述经涂覆的颗粒包含经所述反应物金属涂覆的硼颗粒。
4.如权利要求1所述的聚能射孔弹，其中所述经涂覆的颗粒包含经硼涂覆的反应物金属颗粒。
5.如权利要求1所述的聚能射孔弹，其中所述金属间混合物包含硼粉末和/或颗粒、以及反应物金属粉末和/或颗粒。
6.如权利要求5所述的聚能射孔弹，其中所述炸药包含硼粉末和/或颗粒、以及反应物金属粉末和/或颗粒。
7.如权利要求1所述的聚能射孔弹，其中所述药型罩包含硼且所述炸药包含所述反应物金属，或者所述药型罩包含所述反应物金属且所述炸药包含硼。
8.射孔器，包含
聚能射孔弹，所述聚能射孔弹包含：
壳体；位于所述壳体开口内的药型罩；和，
位于所述壳体与所述药型罩之间的炸药，其中所述药型罩和所述炸药中的至少一个包含含有硼和反应物金属的金属间混合物，
其中所述金属间混合物包含含有硼和反应物金属的经涂覆的颗粒。
9.用于制造聚能射孔弹的方法，包括：
获得含有硼和反应物金属的金属间混合物；和
制备聚能射孔弹，所述聚能射孔弹包含：壳体；位于壳体开口内的药型罩；和位于所述壳体与所述药型罩之间的炸药，其中所述药型罩和所述炸药中的至少一个包含所述金属间混合物，
其中所述金属间混合物包含含有硼和反应物金属的经涂覆的颗粒。
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