CN106103888B - 带时间延迟和计量系统的发火机构 - Google Patents

Abstract

一种用于选择性地隔离与射孔枪关联的发火头的装置，可以包括：与发火头连接的点火器，被连接到点火器并在被点火器致动之后产生压力脉冲的时间延迟模块，计量模块和第二发火头.该计量模块可以被连接到时间延迟模块并且包括具有孔和暴露到井眼环带的至少一个开口的外壳.设置在壳体孔内的活塞具有至少一个通道.通过产生的压力脉动，活塞从第一位置轴向地位移到第二位置.第二发火头被连接到计量模块并且与壳体孔流体连通.活塞在第一位置阻塞壳体的至少一个开口和第二发火头的流体连通，并且在第二位置允许从壳体的至少一个开口到第二发火头的流体连通。

Description

带时间延迟和计量系统的发火机构

技术领域

本发明的公开涉及有选择地致动井眼工具的装置和方法。更特别地是，本发明的公开是关于枪组件的有选择的发射的控制装置和方法的领域。

背景技术

烃，例如油和气，产生于在地层中与一个或者多个油气层交错的加套井眼。这些烃通过加套井眼内的穿孔流到井眼内。穿孔通常是利用载有聚能射孔弹的射孔枪来形成。该枪在电线、光滑绳、管道、盘管或者其它的运输装备上被降入到井眼内直到它接近烃的产生层。此后，地面信号致动与射孔枪关联的发火头，然后其引爆聚能射孔弹。由聚能射孔弹的爆炸产生的弹丸或者射流穿透套筒，因而允许地层流体流过穿孔并进入采油管。

油管传递射孔(TCP)是将射孔枪传递到井眼的一种普通的方法。TCP包括利用标准螺纹管井和也被称为盘管的环形管。对于盘管射孔系统，该装载有爆炸性聚能射孔弹的射孔枪连接到由盘管组成的工作索的末端被运送到井眼下方进入到井中。TCP对于在单程中对所关心的多个分离的区域打孔特别有效。在这种情况下，TCP枪被设置用来在选定的区域形成穿孔但是不在分离这些区域的间隙区域中打孔。

用于在多个区域中打孔的一些常规的系统包括利用压力致动的发火头来发射的射孔枪。每个发火头设定成在检测到预定的流体压力是被致动。在操作期间，操作者通过致动例如地面泵的设备来增加井内的井眼流体压力。暴露于井眼流体的发火头感测井眼流体压力，即由井眼壁和枪形成的环带内的流体压力。一旦达到用于发火头的环带流体压力的预定值，则发火头开始用于其相关联的枪的发射次序。

在一些实例中，压力变化，例如与射孔枪发射有关的压力峰值，能够干涉这些系统的压力致动的发射头。本发明公开满足了保护压力致动的发火头免受不需要的压力变化的影响的要求，并克服了现有技术中的其它的缺陷。

发明内容

在以下方面而言，本发明公开提供了选择性地隔离与射孔枪关联的发火头的装置和相关方法。该装置可以包括：第一发火头；连接到发火头的点火器；连接到点火器的时间延迟模块，该时间延迟模块被点火器致动之后产生压力脉冲；连接到时间延迟模块的计量模块，该计量模块包括具有孔和暴露于井眼环带的至少一个开口的外壳，并且活塞设置于壳体孔内，该活塞具有至少一个通道，该活塞通过产生的压力脉冲从第一位置轴向地位移到第二位置；以及连接到计量模块的第二发火头，该第二发火头与壳体孔流体连通，活塞在第一位置阻塞壳体的至少一个开口与第二发火头的流体连通，并且在第二位置允许从壳体的至少一个开口到第二发火头的流体连通。

在以下方面而言，本发明公开提供了一种有选择性地隔离与射孔枪关联的发火头的方法。该方法可以包括通过将点火器连接到第一发火头、将时间延迟模块连接到点火器、将计量模块连接到时间延迟模块、将第二发火头连接到计量模块而形成射孔工具。时间延迟模块包括具有孔和至少一个开口的壳体，以及设置在壳体孔内并具有至少一个通道的活塞。当活塞在第二位置时第二发火头与壳体孔流体连通并且与井眼环带仅仅压力连通。

该方法仅一步包括传送该射孔工具到井眼内，利用第一发火头致动点火器，利用由已致动的点火器产生的冲击波致动时间延迟模块，利用已致动的时间延迟模块产生压力脉冲，利用已产生的压力脉冲将活塞由第一位置轴向地位移到第二位置，该活塞在第一位置密封壳体的所述至少一个开口，并且在第二位置允许通过所述壳体的至少一个开口流体地连通到孔，并且当计量模块的孔被填充流体之后增加井眼环带内的压力。在射孔工具被传送到井孔内期间，第一发火头可以被与井眼环带流体地连接，并且在射孔工具被传送到井孔期间，第二发火头可也被与井眼环带液压地隔离。

为了使下列的详细说明被更好地理解，并且为了使其对于本领域的贡献可以被评估，应该相对较宽泛地理解被概括的本发明的确定的特征的例子。当然，本发明具有的附加技术特征将在下文被描述，这有时候会形成另外附加的权利要求的主题。

附图的详细说明

图1示意地显示了利用本发明公开的一个实施例的射孔枪组件的部署；

图2示意地显示了本发明公开的选择性地隔离发火头的一个实施例；

图3示意地显示了图2实施例在发火头与井环带内的流体连通的状态；

图4示意地显示了本发明公开的选择性地隔离发火头的另一个实施例；和

图5示意地显示了图4实施例在发火头与井环带内的流体连通的状态。

具体实施方式

本发明公开涉及用于发射两个或者更多个的井下工具(例如射孔工具)的装置和方法。本发明公开通过不同形式的实施例而容易被理解。在附图中示出本发明公开的特定实施例，并且在下文中将详细描述这些实施例，应理解本公开应被认为是本发明的原理的示例，并且不是要将本发明限制到在此图示和描述的内容。

先参照图1，显示了置于被间隔段36分开的地下目标地层32、34之上的井结构和/或烃生产设施30。该设施30可以是适于钻进、完成或者维护井眼38的陆上的或者海上钻机。井眼38可以包括井眼流体59的柱，其是由例如水或烃的地层流体和/或如钻井液的人造流体形成的。设施30可以包括已知的设备和构造，例如在地表面42处的平台40、井口44和套筒46。悬置在井眼38内的工作索48用来传送工具进入井眼38或者离开井眼38。工作索48可以包括通过盘管注入器52注入的盘管50。其它的工作绳可以包括管道、钻杆、钢丝绳、光滑绳或者任何其它已知的传送工具。工作索48可以包括遥测线路或者其它的信号/功率传送媒介，其建立从地面到连接到工作索48的末端的工具的单向或者双向遥测通信。合适的遥测系统(图中未示出)可以是已知的类型，例如泥浆脉冲、电信号、声音或者其它合适的系统。地面控制单元(例如动力源和/或发射面板)54可以被用来监控和/或操作连接到工作索48的工具。井眼环带57在工作索48和限定井眼38的壁之间形成。井眼环带57填充有井眼流体59，可以利用在地面的泵(未示出)加压井眼流体。虽然示出竖直井，可以理解根据本发明的设备也可以在斜的(非竖直的)井或者水平井中使用。

在一个实施例中，例如射孔枪组件60的射孔工具被连接到工作索48的末端。示例的枪组件60包括多个枪或者枪组62a-b，其中的每一个枪组具有穿孔聚能射孔弹64a-b。仅仅为了简化论述，仅两个枪组62a-b被示出。然而，枪组件60可以包括超过两个枪组。关联到枪组件60的其它设备包括底部接头(sub)70、上部接头72和附件包74，其可以携带例如套管接箍定位器、地层取样工具、套管测定工具等等的设备。

每个枪组62a-b可以利用发火头66a-b而分别被发射。这些发火头66a-b可以是压力驱动的，并且被构造成使其可以由在井眼环带57内的相同或者显著不同的压力来致动。为了本公开的目的，5％的压差可以认为是显著不同的压力。例如，发火头66a可以被预置在10000PSI下致动，并且发火头66b可以被预置为在10000PSI下致动，或者在不同的压力、例如11000PSI下致动。隔离器100可以被用来将发火头66b从环带压力隔离，至少直到与射孔枪62a的发射关联的压力变化已经减退之后。

参照图2，其用示意图显示了隔离器100的实施例。该隔离器100可以包括第一发火头120，时间延迟模块140，计量接头160，连接器180和第二发火头200。如以下更加详细的讨论，第一发火头120、时间延迟模块140和计量接头160能够使上部的枪62a和第二枪62b通过加压在井眼环带57(图1)内的流体柱59(图1)而被独立地发射。

第一发火头120可以是压力致动的发火头。如在此处使用的，发火头通常是响应接收到的控制信号而产生能量输出的装置。该能量输出可以是冲击波(例如，高振幅的压力波)。该控制信号在这种情况下是在井眼环带57(图1)内的预定压力。井眼流体通过流过第一发火头120的壳体126内的开口124而作用在活塞头122上。流体可以直接进入开口124或者通过相邻的接头128进入开口124，该接头128具有用于接收井眼流体的开口130。当流体压力足够高时，该流体压力打破易碎的元件132并且推进活塞头122和相关联的销134进入到点火器136内。易碎元件132可以被构造成在选定的压力下破裂。点火器136输出致动时间延迟模块140的高位的爆震。

时间延迟模块140调整或者控制第一枪62a(图1)发射时和第二枪62b(图1)对井眼环带内压力的增加作出响应时之间的时间周期。在实施例中，时间延迟模块140可以包括连接到第一发火头120的壳体142和产生压力脉冲用以致动计量接头160的一个或者多个熔线元件144。在被引爆时，熔线元件144燃烧一预定的时间周期，这可以被认为是缓燃(deflagration)。燃烧周期以高位的爆震终止。致动计量接头160的压力脉冲可以包括由高位爆震产生的冲击波。压力脉冲也可以包括这种冲击波和由缓燃产生的气体压力。熔线元件144可以是具有能量材料的组合物的小球或胶囊，每种能量材料具有不同的燃烧特征，例如，材料的能量释放类型和速度。通过适当地配置这些能量材料的化学性质、体积和位置，可以控制气体产生的速度以提供想要的或者预定时间延迟。

通常，该能量材料可以包括例如RDX、HMX的提供高位的爆震的材料，和提供缓燃的第二种能量材料。在一种设置中，熔线元件144可以包括缓燃部件146和高位爆震部件148。与高位爆震部件148不同，缓燃部件146不产生冲击波。而且，熔线元件144的数量可以改变以控制时间延迟的持续时间。熔线元件144可以被设置为具有足够的时间延迟以使得与第一枪62a的发射有关的压力峰值已经耗散。在一些实施例中，时间延迟可以是从几秒钟到一分钟。在另外一些实施例中，时间延迟可以是一分钟到三分钟。在又一些其它实施例中，时间延迟可以是三分钟或者更长。

计量接头160控制井眼环带57(图1)和内部孔162之间的流体连通。在一个实施例中，计量接头160可以包括连接到时间延迟模块140的壳体164。壳体164包括允许流体从井眼环带57(图1)流入并填充孔162的开口166。活塞168可以被用来有选择地密封开口166。在一个实施例中，活塞168可以形成为能在孔162内滑动或者轴向平移的圆柱形主体。活塞168可以利用易碎裂元件(如剪切销170)而被暂时固定。而且，活塞168可以包括在开口166和孔162之间传输流体的通道172。

孔162充当流体容器，当被充分加压时，其致动第二发火头200。该流体容器可以是传递压力的液体主体。孔162可以利用计量接头160、连接接头174和筒部分176的内部空间来形成。该筒部分176可以被用来增加可用于致动第二发火头200的井眼流体的体积。由于孔162具有固定的容积，因此与第二发火头200关联的活塞202的轴向位移可以减小孔162内的可提供的压力。筒部分176可以设置尺寸以使与活塞202的移动有关的容积的变化不会显著减小孔162的容积(例如，容积减小低于10％)。在一些实施例中，孔162可以被填充气体，例如空气，其在大气压力下被密封。

在未致动的活塞里，活塞168的主体在开口166处形成流体密封屏障。接头160也可以包括可以用来将孔162从井眼环带57(图1)相隔离的其它密封件(未示出)。

现在参考图3，在已致动的活塞里，通道172与开口166对齐允许井眼流体流入到孔162。应该理解的是开口166和通道172的大小和方向控制井眼流体进入并填充孔162的速度。由于孔162被暴露于第二发火头200，因此在孔162内的流体将第二发火头200液压地连接到井眼环带57(图1)。

第二发火头200可以是连接到计量接头160的压力致动的发火头，并且其响应在孔162内的预定压力产生能量输出。当被预定压力致动时，活塞202和相关的销204被推进点火器(未示出)内。点火器(未示出)输出用来发射第二射孔枪62b(图1)的高位的爆震。在一些实施例中，第二发火头200与图1的发火头66b的构造相同。

现在参照图1-3，将以图示部署描述枪组件60(或者“射孔工具”)。如之前说明的，理想的是顺序地发射枪组件内的两个或者更多的枪。进一步，可能需要彼此独立地发射每个枪。也就是说，每个枪可以响应于预置的发射信号。该发射信号可以是在井眼环带57内的预定液压力。在一种设置中，第一和第二枪62a、b被构造利用相同或者基本相同的预定环带压力来发射。例如，发火头66a、b被构造在大约10000PSI下来发射。在这样实施例中，发火头120也被设置成在大约10000PSI下来发射。在这些发火头被适当地设置之后，枪组件60被传送到井眼38内并且置于理想的深度。此时，第一发火头66a可以与井眼环带57压力连通，然而第二发火头66b被与井眼环带57的液压力相隔离。

第一枪62a通过增加井眼环带液压力到至少10000PSI而发射。该压力致动发火头66a，该发火头66a发射第一枪62a。第二发火头200(其可以是发火头66b)被从该环带液压力隔离。然而，该环带压力致动第一发火头120。特别地，环带压力破坏易碎裂元件132并且推进销134碰撞点火器136，点火器136利用高位的爆震(冲击波)引爆时间延迟模块140。时间延迟模块140燃烧一段预置的时间(例如，6分钟)。在此期间，在井眼环带57(图1)内与第一枪62a的发射相关联的压力波动消散。该时间延迟可以被选择成使压力波动充分低而不致动发火头200。同样在此期间，在井眼环带57(图1)内的压力可以减小到低于致动压力(例如10000PSI)。时间延迟模块140以高位爆震而终止。该爆震产生的压力脉冲破坏剪切销170并且移动活塞168直到通道172与开口166对齐。在一些实施例中，单独来自时间延迟模块140的冲击波足以移动活塞168。在其它实施例中，由燃烧熔线元件144产生的气体施加压力，这辅助活塞168的移动。在又一些其它实施例中，冲击波破坏剪切销170并且由熔线144产生的气体是移动活塞168的主要的力。

在与开口166对齐后，通道172从环带57将井眼流体传送到孔162内。应该理解的是，开口166和通道172的尺寸设计控制或者计量井眼流体填充孔162的速度。通过计量流体的流入，除了防止第二发火头200遇到突然的压力起伏，还增加了另外的时间延迟。一旦孔162被完全填充井眼流体，则发火头200可以通过将井眼环带57(图1)内的压力增加到预定压力(例如10000PSI)而被致动。如之前所述，压力增加可以通过利用地面泵加压流体柱59而实现。该压力增加移动活塞头202并且推进相邻的销204进入到第二枪62b的点火器(未示出)内。尽管活塞头202的位移增加了孔162的容积，但是筒部分176包含足够的流体以确保压力保持足够高来以足够的速度推进销204从而致动点火器(未示出)。

参照图4，示意地示出隔离器210的另外一个实施例。隔离器210可以包括第一发火头220，时间延迟模块140，计量接头160，连接器240和第二发火头200，这些部件都是直接地或者间接地互相连接。时间延迟模块140、计量接头160和第二发火头200与上面结合图2和3描述的基本相同。第一发火头220和连接器240在一些方面是不同的并且在下文中详细描述。

第一发火头220可以利用高位爆震(例如利用冲击波)被致动。高位爆震可以通过将增压元件224连接到与第一枪62a相关联的雷管引线226的端部而产生。以之前讨论的方法，来自增压元件224的爆震的冲击波推进销228进入到点火器230中。点火器230输出高位的爆震致动时间延迟模块140。该时间延迟模块140依照先前描述的操作并且利用压力脉冲致动计量接头160。计量接头160包括之前描述的孔162。

替代利用筒来积蓄流体来辅助致动发火头200，连接器240包括孔口242，该孔口242允许井眼流体进入到孔162。孔口242可以利用孔口活塞244有选择地被密封。在未致动的活塞内，孔口活塞244的主体在孔口242形成流体密封屏障。当前参照图5，在已致动的活塞内，入口活塞244已被移动以允许孔口242来引导井眼流体流入到孔162内。这样，当第二发火头200被致动时，附加的流体体积可以流入到孔162内。

现在参照图1和图4-5，将以图示部署描述使用隔离器210的枪组件60。如之前所述，可能需要彼此独立地顺序发射枪组件60内的两个或者更多的枪。在该说明性的实施例中，每个枪可以响应于独特的致动信号。该致动信号可以是在井眼环带57(图1)内的预定的压力。在一种设置中，上部的枪62a和第二枪62b被设置成使用预定的不同环带压力来发射。例如，发火头66a被设置大约在10000PSI来发射，并且发火头66b被设置大约在12000PSI来发射。在这些发火头已经被适当地设置之后，枪组件60被传送到井眼38内并且置于期望的深度。

第一枪62a通过增加井眼环带的压力到至少10000PSI而被致动。该压力致动发火头66a，其发射第一枪62a。第二发火头200(其可以是发火头66b)被液压地隔离该压力。第一发火头66a的雷管引线226引爆助燃药224，其利用冲击波致动第一发火头220。该冲击波推进销228来撞击点火器230，点火器230利用高位的爆震(冲击波)引爆时间延迟模块140。时间延迟模块140燃烧一段预定的时间(例如，6分钟)并且用以上论述的方法致动计量接头160。一旦孔162被完全填充，发火头200可以通过增加井眼环带57(图1)内的压力到预设的压力(例如：12000PSI)而被致动。在孔162内的压力增加移动孔口活塞244，孔口活塞244允许井眼流体通过孔口242进入从而增加能够维持孔162内的压力的流体量。该流体移动活塞头202并且推进相邻的销204进入到第二枪62b的点火器(未示出)。由于第一和第二枪62a、b的发射在操作上是独立的，因此发射可以被分开几分钟、几小时、甚至几天。

尽管在上下文中的被本申请公开讨论的实施例的枪组件具有两个枪，其应该理解为本申请公开的教导可以被容易地扩大到包括三个或者更多的枪的枪组件。进一步，应该理解这些公开的实施例示互不排斥的。例如，一些实施例可能利用存蓄筒和孔口。此外，应该理解这些元件中的一些可以被省略。例如，在某些实施例中，存蓄筒和孔口可能都被去除。进一步，在一些实施例中，时间延迟模块可以不是必须的。还又一些其它的实施例中，时间延迟模块可以用在两个或者更多的枪上。

为了解释和说明的目的，上文的描述涉及本发明特定的实施例。然而，许多关于以上陈述的实施例的不超出本发明范围的改进和转换对于本领域技术人员是显而易见的。例如，尽管“自上而下”的发射设置已经被讨论，但是发射设置也可以开始于首先发射第二个枪。同样，尽管一些部件以彼此相互直接接合的形式显示，这些部件也可以彼此相互间接连接。术语“接合”或者“连接”都涉及直接和间接接合或连接。目的是以下权利要求被解释为包含所有这样的变形和改变。

Claims (15)

1.一种用于有选择地隔离与射孔枪关联的发火头的装置，包括：

第一发火头；

连接到第一发火头的点火器；

连接到点火器的时间延迟模块，时间延迟模块在被点火器致动后产生压力脉冲；

连接到时间延迟模块的计量模块，计量模块包括：

壳体，具有孔和暴露于井眼环带的至少一个开口，和

设置在壳体孔内的活塞，该活塞具有至少一个通道，活塞通过产生的压力脉冲从第一位置轴向地移动到第二位置，活塞在第一位置将壳体的至少一个开口密封，并且在第二位置允许经过壳体的至少一个开口流体连通到孔；和

连接到计量模块的第二发火头，当活塞在第二位置时，该第二发火头与壳体孔流体连通并且与井眼环带压力连通。

2.根据权利要求1的装置，其中，时间延迟模块具有缓燃部件和高位爆震部件，时间延迟模块利用至少高位爆震部件产生压力脉冲。

3.根据权利要求1的装置，其中第一发火头包括第一销活塞并且第二发火头包括第二销活塞，并且其中第一销活塞和第二销活塞利用流体压力而被推动。

4.根据权利要求3的装置，其中，第一销活塞与井眼环带内的流体流体地连通，而第二销活塞与井眼环带内的压力隔离。

5.根据权利要求1的装置，其中，活塞包括将活塞连接到壳体的至少一个易碎裂元件和在活塞和壳体内表面之间形成流体屏障的至少一个密封件。

6.根据权利要求1的装置，其中，当活塞在第一位置时，壳体孔处于大气压下。

7.根据权利要求1的装置，其中第一发火头和第二发火头是压力致动的。

8.根据权利要求7的装置，其中第一发火头和第二发火头由相同的压力致动。

9.根据权利要求7的装置，其中第一发火头和第二发火头由不同的压力致动。

10.根据权利要求1的装置，其中壳体包括筒部分，并且其中筒部分具有的内部容积被选择成当第二发火头被致动时防止在壳体孔内的流体压力减少，所述压力减少小于百分之十。

11.根据权利要求1的装置，其中壳体包括孔口部分，该孔口部分包括孔口活塞和暴露于井眼环带的至少一个孔口，该孔口活塞在第一位置密封该至少一个孔口并且在第二位置不密封该至少一个孔口，其中，在壳体孔内的流体压力将孔口活塞从第一位置移动到第二位置。

12.一种用于有选择地隔离与射孔枪关联的发火头的装置，包括：

压力致动的第一发火头；

连接到第一发火头的点火器，当被压力致动的第一发火头引爆时，点火器产生冲击波；

连接到点火器的时间延迟模块，该时间延迟模块具有缓燃部件和高位爆震部件，在被点火器致动之后时间延迟模块利用至少高位爆震部件产生压力脉冲；

连接到时间延迟模块的计量模块，该计量模块包括：

壳体，具有孔，和暴露于井眼环带的至少一个开口，

设置在壳体孔内的活塞，活塞具有至少一个通道，活塞通过产生的压力脉冲被轴向地从第一位置移动到第二位置，活塞在第一位置密封壳体的至少一个开口并且在第二位置允许经过壳体的至少一个开口的流体连通；和

连接到计量模块的压力致动的第二发火头，当活塞在第二位置时，该第二发火头与壳体孔流体连通并且与井眼环带压力连通，压力致动的第二发火头通过孔内的压力增加而被致动。

13.根据权利要求12的装置，其中压力致动的第一发火头、时间延迟模块、计量模块和压力致动的第二发火头都形成为圆柱形主体，其中压力致动的第一发火头被连接到时间延迟模块的一端并且计量模块被连接到时间延迟模块的相对端，并且压力致动的第二发火头被连接到计量模块。

14.一种用于有选择地隔离与射孔枪关联的发火头的方法，包括：

通过以下步骤形成射孔工具：

将点火器连接到第一发火头；

将时间延迟模块连接到点火器；

将计量模块连接到时间延迟模块，该计量模块包括：

具有孔和至少一个开口的壳体，和

布置在壳体孔内的活塞，该活塞具有至少一个通道，并且

将第二发火头连接到计量模块，当活塞位于第二位置时，该第二发火头与壳体孔流体连通，并且与井眼环带仅仅压力连通；

传送射孔工具到井眼内；

利用第一发火头致动点火器；

利用由已致动的点火器产生的冲击波致动时间延迟模块；

使用已致动的时间延迟模块产生压力脉冲；

利用已产生的压力脉冲使活塞从第一位置轴向地移动到第二位置，该活塞在第一位置密封壳体的至少一个开口并且在第二位置允许通过壳体的至少一个开口流体连通到该孔；和

在计量模块的孔被流体填充之后增加井眼环带内的压力。

15.根据权利要求14的方法，其中在射孔工具在井眼内被传送期间第一发火头与井眼环带压力连通，并且在射孔工具在井眼内被传送期间第二发火头与井眼环带液压地隔离。