CN110023584A - 恒定入口孔射孔枪系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种聚能射孔弹包括壳体、位于壳体内的药形罩、以及填充在壳体内的炸药。药形罩被成形为具有围绕顶点的100°至120°的包角、半径和宽高比，使得由炸药形成的射流在井套管中形成入口孔。射流在含烃地层中形成射孔坑道，其中射流的直径、入口孔直径以及射孔坑道的宽度和长度基本上是恒定的，并且不受以下设计和环境因素变化的影响，例如井套管的厚度和组成、射孔弹在射孔枪中的位置、射孔枪在井套管中的位置、井套管中的水隙和含烃地层的类型。

Description

恒定入口孔射孔枪系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月15日提交的美国实用专利申请第15/352,191号的优先权，该美国实用专利申请要求2016年10月13日提交的美国临时申请第62/407,896号的优先权，这些申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般涉及一种在石油和天然气工业中用于对井套管和地下含烃地层进行爆炸射孔的射孔枪，并且更具体地涉及一种用于形成恒定入口孔直径和恒定宽度射孔坑道的改进设备。
背景技术
在完井过程中，枪串组件位于井套管中的隔离区域中。枪串组件包括通过串联部件或子部件彼此连接的多个射孔枪。然后射孔枪射击，形成穿过套管和水泥并射入目标岩石的孔。这些射孔将储存石油和天然气的岩石与井眼连接。在完成石油井和/或天然气井的过程中，通常用爆炸性射孔弹对含烃地层进行射孔以允许烃流入井眼。这些射孔弹被装在射孔枪中，并且通常是在选定的方向上形成爆炸性的穿透射流的成形射孔弹。
如图1(0100)所示，在套管(0120)中具有3个簇、每个簇6个井眼或6个射孔的射孔系统，在使用该射孔系统射孔后，可使用压裂流体进行处理。插塞(0110)可以朝向井套管的趾端定位，以隔离出分段。簇(0101)可朝向趾端定位，簇(0103)朝向跟端定位，并且簇(0102)位于簇(0101)和簇(0103)之间。每个簇可包括3个射孔弹。在部署射孔枪系统并井被射孔后，在井套管中形成入口孔，并且炸药形成穿透到含烃地层中的射流。入口孔的直径还取决于几个因素，例如聚能炸药中的药形罩、炸药类型、套管的厚度和材料、套管中的水隙、射孔枪的居中、簇中的炸药数量和分段中的簇数量。当用一组特定参数确定入口孔的尺寸时，可以进一步进行分段设计。参数化设计意味着一次改变一件事并评估结果。参数可以根据不同的簇、分段或井变化。固定变量可以是固定的，期望的变量可以改变。评估结果以确定是否有因果关系。然而，如果有几个因素发生变化，结果似乎是随机的，并且可以得出表明这种变化没有效果的结论。另外，分段设计取决于射孔质量，该射孔质量包括入口孔尺寸和射孔坑道形状、长度和宽度。由于决定入口孔尺寸的因素的数量，入口孔直径(EHD)的变化很大，并且因此分段的设计变得不可预测。例如，以0.3英寸为目标的入口孔可能具有+-0.15英寸的变化，并且所得到的入口孔直径可能是0.15英寸或0.45英寸。如果入口孔直径是较小的直径，例如0.15英寸，则形成的处理可能会导致含烃地层中出现非预期和弱的压裂。目前的设计被用于较大的入口孔直径，以解决由于影响EHD的上述因素而导致的大的变化。由于EHD的变化导致的重大且不可预测的设计导致不可预测的成本、不可靠的结果和显着的成本。因此，需要一种药形罩设计，其形成的入口孔的直径不受以下设计和环境因素的影响，例如井套管的厚度、井套管的组成、炸药在射孔枪中的位置、射孔枪在井套管中的位置、井套管中的水隙或所述含烃地层的类型。图1(0100)示出了各种射孔弹的EHD变化。例如，簇(0103)中的EHD(0131)显着小于簇(0102)中的EHD(0121)。类似地，射孔坑道的穿透长度和宽度也随着上述设计和环境因素而变化。例如，簇(0103)中的射孔坑道(0113)可以比簇(0102)中的射孔坑道(0112)长。射孔坑道的长度和宽度的大的变化进一步导致有效处理含烃地层的显着设计挑战。因此，需要设计一种聚能射孔弹，其包括填充有炸药的药形罩，使得所形成的射孔坑道的长度和宽度的变化小于7.5％。
图2A(0200)示出了不同入口孔直径(Y轴)、入口孔直径变化(Y轴)与射孔弹取向(X轴)的图表。如图2A(0200)所示，EHD变化是显着的，范围从用于300度取向射孔弹的0.05至用于180度取向射孔弹的0.32。EHD变化使得分段设计不可靠并且对于分段的压力和处理是不可预测的。根据其他研究，EHD变化高达±50％。因此，需要无论上述几种设计和环境因素如何都能够可靠且可预测地形成变化小于7.5％的入口孔的聚能射孔弹。
图2B(0220)示出了不同入口孔直径(Y轴)、入口孔直径变化(Y轴)与射孔弹取向(X轴)的图表。通过入口孔的压降能够与EHD的变化一样多，都提高到四倍。如图2B(0220)所示，压降变化是显着的，并且对于180度取向的射孔弹能够高达500％。EHD变化形成的压力不仅仅是为了分段的处理而设计的。在某些情况下，压降变化能够高达500％。例如，如果在给定的泵送速率下设计的压降为1000psi，并且由于上述因素，如果射孔的EHD小于目标EHD，则处理期间的实际压降可能高达10000psi。因此，需要一种聚能射孔弹设计，其能够可靠且可预测地形成具有在给定速率下的可预测压降的入口孔。需要设计无论上述几种设计和环境因素如何，簇之间压力变化都小于500psi的分段。
图3(0300)示出了不同入口孔直径(Y轴)、入口孔直径变化(Y轴)与射孔弹的水隙(X轴)的图表。如图3(0300)所示，EHD变化是显着的，并且为对于0.2英寸水隙的2％到1.2英寸水隙的33％。EHD变化使得分段设计不可靠并且对于分段的压力和处理是不可预测的。根据其他研究，EHD变化高达±50％。因此，需要无论射孔弹相对于套管的水隙或间隙如何都能够可靠且可预测地形成变化小于7.5％的入口孔的聚能射孔弹。
现有技术的分段设计和射孔方法(0400)
如图4(0400)的流程图中大致所示，可以根据以下步骤来描述具有传统深穿透或大孔聚能射孔弹的现有技术的分段设计和射孔方法：
(1)设置插塞并在井套管中隔离出分段(0401)；
(2)定位具有聚能射孔弹的射孔枪系统并且射孔(0402)；
(3)在分段中泵送压裂流体，并且基于入口孔直径和射孔坑道的宽度和长度手动调节泵送速率(0403)；和
用传统射孔弹形成的射孔入口孔容易发生直径和射孔坑道长度和直径的不可预测的变化。操作者必须增加泵送速率以将流体通过较小的入口孔注入。此外，不居中的枪可能在枪的顶部和底部形成不均匀的孔尺寸。在大多数情况下，操作员不会使枪居中，而是提高泵送速率。
(4)完成所有分段。
有限进入的压裂基于这个前提：每个射孔都会与水力压裂关联并且在处理期间以预定的速率贡献流体。因此，如果任一射孔没有参与，则每个其它射孔的每次射孔的增长率将会增加，导致更高的射孔摩擦。通过设计，有限进入的每个射孔预计将参与到处理中。目前，每个簇有2至4个射孔，每个分段有1至8个簇，使得在压裂处理期间，流体被限制在跟端的簇，而其余部分被转移到下游(趾端)簇。EHD比期望EHD小的一些射孔坑道在压裂处理期间导致能量和压力损失，这降低了压裂坑道中的期望压力。例如，如果将100bpm的压裂流体以10000psi的压力泵入每个分段，并打算以2～3bpm对每个射孔坑道进行压裂，则由于较小的EHD和较高的曲折度，大部分能量在无效压裂中丧失，从而将每次压裂的注射速率降低至基本上小于2～3bpm。通过每个射孔坑道的能量越多，通过压裂坑道的流体越多，压裂延伸得越远。大多数设计目前使用无限制的分段进入来规避限制进入中EHD变化的问题。然而，无限制进入设计不太有效并且大都耗时。在无限制进入中，当一个压裂吸收压裂流体时，它将吸收大部分压裂流体，而其他坑道则没有压裂流体。有限进入通过限制每个簇的射孔数量(通常每个簇2～3个)来限制流体进入每个簇。因此，需要在簇内和簇之间创建具有最小EHD变化(小于7.5％)的入口孔，使得在有限进入状态下的每个簇在压裂处理期间贡献基本相等。
本领域目前用于转移压裂流体的一些技术包括添加密封剂，例如球封闭剂、固体封闭剂或化学密封剂来堵塞射孔坑道，以限制通过跟簇的流体速率并将流体转移向向前的簇。然而，如果簇中坑道的EHD和穿透深度变化很大，则每个簇的行为不同并且每个簇中的流体速率不受控制且不相等。因此，需要更相等的进入(EHD)设计，其允许有效转移的精确设计。还需要一种在有限进入分段中在各种簇之间基本同等地分配流体的方法。
诸如INTERNATIONAL PERFORATING SYMPOSIUM GALVESTON 中的“AdvancingConsistent Hole Charge Technology to Improve Well Productivity”(“IPS-10”)的出版物公开了形成一致入口孔的聚能射孔弹。IPS-10在幻灯片4中公开了一种射流，其在射流尾端示出了常规方式成型的射流与由一致孔技术形成的射流的对比。然而，射流尾端的恒定射流不会形成恒定直径和宽度的射孔坑道。因此，需要在射流的尾端和尖端之间具有恒定直径的射流(延伸部分)，使得形成恒定直径的射孔坑道以及恒定直径的入口孔。IPS-10还在幻灯片16中公开了一个表格，该表格示出了针对不同公司、枪直径、套管直径和射孔弹的入口孔直径变化。A公司制造的孔尺寸为0.44英寸，变化为5.9％，枪尺寸为3又八分之三英寸，套管为5.5英寸；制造的孔尺寸为0.38英寸，对于不同的射孔弹变化为4.9％。然而，A公司清楚地展示了在相同枪的尺寸和套管尺寸的情况下不同的孔尺寸(0.44英寸与0.38英寸)。需要形成直径不受套管尺寸或枪尺寸变化影响的入口孔。
诸如INTERNATIONAL PERFORATING SYMPOSIUM GALVESTON 中出版的“Perforating Charges Engineered to Optimize Hydraulic Stimulation OutperformIndustry Standard and Reactive Liner Technology”(“IPS-11”)的出版物教导了低变化性入口孔(幻灯片5)。然而，低变化性与射孔弹中的宽包角药形罩无关。IPS-11没有教导恒定直径和长度的穿透射流以及恒定直径的入口孔。
亨廷公开了(www.hunting-intl.com/titan)聚能射孔弹，其减少了入口孔直径的变化。根据飞行器的规格，入口孔直径0.40英寸和0.38英寸的射孔弹变化分别为2.5％和4.9％。然而，穿透深度变化非常大。此外，聚能射孔弹没有教导药形罩的包角大于90度。聚能射孔弹没有教导无论设计和环境因素如何都能够形成恒定直径射流的射流，以形成具有恒定直径、长度和宽度的射孔坑道。
通常，深穿透射孔弹设计有40～60度锥形药形罩。大孔射孔弹通常包括具有抛物线形或半球形的药形罩。该大孔的角度为70～90度。然而，现有技术没有公开包括包角大于90度的药形罩的射孔弹。由深穿透和大孔射孔弹形成的射流通常不是恒定的，并且当枪不居中时尖端部分在套管中的水隙中被消耗。现场操作员不能使枪居中，因此在射孔步骤之后，底部入口孔的直径远大于顶部孔的直径。射流尖端的一部分通常在水隙中被消耗，留下射流的薄部分来形成入口孔。此外，射流的直径和宽度可能不是恒定的，因此形成具有不可预测的直径、长度和宽度的射孔坑道。因此，需要在套管的顶部和底部形成无论水隙的大小、套管的厚度和套管的组成如何都具有相等直径的入口孔。还需要形成恒定直径的射流，以形成无论以下设计和环境因素如何都具有恒定直径、宽度和长度的射孔坑道，所述因素例如套管直径、枪直径、井套管厚度、井套管组成、射孔弹在射孔枪中的位置、射孔枪在井套管中的位置、井套管中的水隙或含烃地层的类型。
压降速率测试通常用于以各种泵送速率率泵送流体并记录每个速率的压力。这种类型的分析在主要压裂作业之前执行。它用于量化压裂井的射孔和近井眼压力损失(由曲折度引起)，并且因此，提供与主要压裂处理的设计和执行相关的信息。能够在压裂校准测试的关闭序列期间执行压降测试。为了执行该测试，将具有已知性质的流体(例如，水)以足够高的速率注入地层中以引发小的压裂。然后，在井最终关闭之前，以阶梯方式降低注入速率，每个速率持续相等的时间间隔。由速率变化引起的压力响应受到射孔和近井眼摩擦的影响。曲折度和射孔摩擦压力损失随速率以不同的方式变化。通过分析不同速率下的压力损失，我们能够区分由于曲折度引起的压力损失和由于射孔摩擦引起的压力损失。
由射孔引起的压降和由于曲折度引起的压降通过以下等式在数学上给出：
Δpperf＝kperfq 2其中
Δptort＝ktortq a
Δpperf 射孔压力损失，psi
Δptort 曲折度压力损失，psi
q 流体速率，stb/d
kperf 射孔压力损失系数，psi/(stb/d)2
ktort 曲折度压力损失系数，psi/(stb/d)2
Yinj 注入流体的比重
Cd 排出系数
nperf 射孔数量
dperf 射孔直径，in
α 曲折度压力损失指数，通常为0.5。
对于压降测试，必须控制尽可能多的变量，使得在速率变化期间的压力响应主要是由于射孔和曲折度，而不是其他一些因素。当注射速率改变时，压力不会以阶梯方式改变；在改变速率后，压力需要一段时间才能稳定下来。为了确保该压力转变的效果不会模糊注入速率和压力之间的关系，使用相同持续时间的注入时间。根据上述等式，射孔压力损失的关键因素之一是射孔的直径。射孔直径的大的变化导致射孔损失分量的大的变化。因此，需要将射孔直径固定在7.5％英寸的变化范围内，使得总压力损失可归因于曲折度并提供井眼附近的曲折度的测量。
现有技术的不足
如上所述的现有技术存在以下缺陷：
●现有技术的系统不提供无论上述几种设计和环境因素如何都能够可靠且可预测地形成变化小于7.5％的入口孔的聚能射孔弹。
●现有技术方法没有设计出包括填充有炸药的药形罩的聚能射孔弹，使得所得射孔坑道的长度和宽度的变化最小。
●现有技术方法没有设计出无论上述几个设计和环境因素如何，簇之间压力变化都小于500psi的分段。
●现有技术方法不提供在簇内和簇之间形成具有最小EHD变化(小于7.5％)的入口孔，使得在有限进入状态下每个簇在压裂处理期间贡献基本相等。
●现有技术方法不提供更相等的进入(EHD)设计，其允许精确设计以实现有效的转移。还需要一种在有限进入分段中在各种簇之间基本同等地分配流体的方法。
●现有技术方法不提供能够形成恒定EHD的聚能射孔弹，使得能够确定或建模井眼附近的曲折度。
●现有技术方法不提供具有受控和可预测的射孔压力损失的压降速率测试。
●现有技术的射孔弹不能在射流的尾端和尖端之间提供恒定直径的射流(延伸部分)，使得形成恒定直径、恒定长度的射孔坑道以及恒定直径的入口孔，并且不受以下设计和环境因素的影响，例如套管直径、枪直径、井套管厚度、井套管组成、射孔弹在射孔枪中的位置、射孔枪在井套管中的位置、井套管中的水隙或含烃地层的类型。
虽然一些现有技术可以教导若干这些问题的一些解决方案，但是现有技术尚未解决形成变化小于7.5％的恒定孔直径入口孔的核心问题。
发明内容
系统概述
在各种实施例中，本发明以以下方式解决了上述目的中的一个或更多个。本发明公开了一种用于射孔枪中的聚能射孔弹。射孔弹包括壳体、位于壳体内的药形罩、以及填充在壳体内的炸药。药形罩被成形为具有围绕顶点的包角、半径和宽高比，使得由炸药形成的射流在井套管中形成入口孔。药形罩的包角为100°至120°。射流在含烃地层中形成射孔坑道，其中射流的直径、入口孔直径的直径以及射孔坑道的宽度和长度基本上是恒定的，并且不受以下设计和环境因素变化的影响，例如井套管的厚度和组成、射孔弹在射孔枪中的位置、射孔枪在井套管中的位置、井套管中的水隙和含烃地层的类型。
方法概述
本发明系统可用于执行利用射孔系统中的聚能射孔弹进行射孔的方法，其中，上述的聚能射孔弹通过具有以下步骤的方法来控制：
(1)设置插塞并隔离出分段；
(2)设定入口孔的目标入口孔直径；
(3)为多个射孔弹中的每一个选择炸药装载量、包角、半径和宽高比；
(4)将系统与多个射孔弹一起定位在井套管中；
(5)用多个射孔弹向含烃地层中射孔；
(6)形成具有入口孔直径的入口孔并完成所述分段；和
(7)在基本上不调节泵送速率的情况下以设计的速率在所述分段中泵送压裂流体。
本发明的整个范围包括这个和其他优选示例性实施例方法以及本文所描述的各优选示例性实施例系统。
附图说明
为了更全面地理解本发明所提供的优点，应参考以下详细描述和附图，附图中：
图1是井套管中的现有技术射孔枪系统。
图2A是现有技术中不同入口孔直径(Y轴)、入口孔直径变化(Y轴)与射孔弹取向(X轴)的图表。
图2B是现有技术中不同入口孔直径(Y轴)、入口孔直径变化(Y轴)与射孔弹取向(X轴)的图表。
图3是现有技术中不同入口孔直径(Y轴)、入口孔直径变化(Y轴)与水隙或间隙(X轴)的图表。
图4是现有技术的井眼分段设计方法。
图5A是具有适用于本发明一些优选实施例的药形罩的聚能射孔弹的示例性侧视图。
图5B是具有适用于本发明的一些优选实施例的药形罩的大孔聚能射孔弹的示例性侧视图。
图6是根据本发明优选实施例的由示例性聚能射孔弹形成并具有基本相等直径的入口孔的图示。
图7A是由本发明的一些示例性射孔弹形成的不同入口孔直径(Y轴)、入口孔直径变化(Y轴)与射孔弹取向(X轴)的示例性图表。
图7B是由本发明的一些示例性射孔弹形成的不同入口孔直径(Y轴)、入口孔直径变化(Y轴)与射孔弹取向(X轴)的示例性图表。
图8是由本发明的一些示例性射孔弹形成的不同入口孔直径(Y轴)、入口孔直径变化(Y轴)与射孔弹水隙(X轴)的示例性图表。
图9是适用于本发明的一些优选实施例的非居中射孔枪中具有药形罩的聚能射孔弹的示例性侧视图。
图10是根据本发明优选实施例的由示例性聚能射孔弹形成的射流的图示。
图11是根据一些优选实施例的结合示例性聚能射孔弹的分段射孔方法的详细流程图。
图12是根据一些优选实施例的结合示例性聚能射孔弹来处理井套管中的分段的有限进入方法的详细流程图。
图13是根据一些优选实施例的结合示例性聚能射孔弹来确定含烃地层中曲折度的压降方法的详细流程图。
具体实施方式
当前优选示例性实施例的描述
虽然本发明易于以许多不同的方式实施，但是在附图中示出了并且将在此处详细描述本发明的优选实施例，应当理解本公开被视为是本发明的原理的示例并不旨在将本发明的广泛方面限制于所示的实施例。
将特别参考当前优选的实施例来描述本申请的众多创新性教导，其中，这些创新性教导有利地应用于形成恒定直径入口孔和恒定直径和长度射孔坑道的特定问题。然而，应当理解，该实施例仅是本文中创新性教导的许多有利应用的一个示例。通常，在本申请的说明书中作出的陈述不一定限制各种要求保护的发明的任何一个。此外，一些陈述可以适用于一些创新性特征，但不适用于其他特征。
本发明的目的
因此，本发明的目的是(除其他之外)规避现有技术中的缺陷并涉及以下目的：
●提供无论上述几种设计和环境因素如何都能够可靠且可预测地形成变化小于7.5％的入口孔的聚能射孔弹。
●设计聚能射孔弹，其包括填充有炸药的药形罩，使得所形成的射孔坑道的长度和宽度的变化最小。
●设计无论上述几个设计和环境因素如何，簇之间的压力变化都小于500psi的分段。
●在簇内和簇之间创建具有最小EHD变化(小于0.05英寸)的入口孔，使得在限制进入状态下的每个簇在压裂处理期间贡献基本相等。
●提供更相等的进入(EHD)设计，其允许精确设计以实现有效的转移。还需要一种在有限进入分段中在各种簇之间基本同等地分配流体的方法。
●提供能够形成恒定EHD的聚能射孔弹，使得能够确定或建模井眼附近的曲折度。
●提供具有受控且可预测的射孔压力损失的压降速率测试。
●在射流的尾端和尖端之间提供恒定直径的射流(延伸部分)，使得形成恒定直径、恒定长度的射孔坑道以及恒定直径的入口孔，并且不受以下设计和环境因素的影响，例如套管直径、枪直径、井套管厚度、井套管组成、射孔枪中射孔弹的位置、射孔枪在井套管中的位置、井套管中的水隙或含烃地层的类型。
虽然这些目的不应被理解成对本发明的教导的限制，但是通常这些目的部分地或全部通过在以下部分中讨论的所公开发明来实现。本领域技术人员无疑能够选择所公开的本发明的方面来产生上述目的任何组合。
优选的示例性系统的聚能射孔弹和射孔射流
在隔离了用于射孔的分段之后，可以部署射孔枪串组件(GSA)并将其定位在隔离分段中。GSA可以包括一串射孔枪，例如通过串联部件或子部件或转移件机械地彼此耦合的枪。在将GSA泵入井套管后，GSA可能由于重力而以非居中的方式位于套管的底部表面上。GSA可以自取向，使得多个弹架管(CHT)内的多个射孔弹成角度取向或不成角度取向。枪中的多个聚能射孔弹在本文中可以称为“簇”。射孔弹可以用金属条来取向。射孔枪可以在套管中居中或不居中。根据优选的示例性实施例，井套管的厚度为0.20英寸至0.75英寸。根据另一优选的示例性实施例，井套管的直径为3英寸至12英寸。根据更优选的示例性实施例，井套管的直径为4英寸至6英寸。
图5A概括地示出了示例性聚能射孔弹(0500)的横截面，其包括壳体(0501)、位于壳体(0501)内的药形罩(0502)和填充在药形罩(0502)和壳体(0501)之间的炸药(0503)。图5B概括地示出了示例性大孔聚能射孔弹(0540)的横截面，其包括壳体、位于壳体内的药形罩以及填充在药形罩和壳体之间的炸药。根据优选的示例性实施例，药形罩(0502)的厚度(0504)可以是恒定的或可变的。药形罩的厚度可以为0.01英寸至0.2英寸。聚能射孔弹可以用射孔枪(未示出)的弹架管(未示出)定位。根据优选的示例性实施例，射孔弹是活性或常规射孔弹。根据优选的示例性实施例，射孔枪的直径为1英寸至7英寸。根据另一优选的示例性实施例，射孔弹在射孔枪中的位置朝向上方。根据又一优选的示例性实施例，射孔弹在射孔枪中的位置朝向下方。药形罩可以成形为具有围绕药形罩(0502)的顶点(0510)的包角(0513)。药形罩的顶点(0510)可以是交点，并且包角(0513)可以是围绕顶点(0510)的包角。药形罩形状可以具有半径(0512)和高度(0511)。根据优选的示例性实施例，药形罩的半径为0.01英寸至0.5英寸。药形罩的宽高比可以定义为药形罩(0502)的半径(0512)与高度(0511)之比。根据优选的示例性实施例，药形罩的宽高比为1至10。根据更优选的示例性实施例，药形罩的宽高比为2至5。根据最优选的示例性实施例，药形罩的宽高比为3至4。选择宽高比、包角(0513)和炸药装载量，使得由炸药形成的射流在井套管中形成入口孔。射流在穿透套管后在含烃地层中形成射孔坑道。套管可以浇灌水泥或不浇灌水泥。射流还可以穿透套管内的水隙。射流的直径、入口孔的直径以及射孔坑道的宽度和长度基本上是恒定的，并且不受以下设计和环境因素的变化的影响。设计和环境因素选自套管直径、枪直径、井套管厚度、井套管组成、射孔弹在射孔枪中的位置、射孔枪在井套管中的位置、井套管中的水隙、所述含烃地层的类型或其组合。如果聚能射孔弹被设计为形成0.35英寸入口孔直径(0.35EHD)或0.40英寸入口孔直径(0.40EHD)，则根据入口孔直径，为每个聚能射孔弹选择宽高比、包角和/或射孔弹重量。根据优选的示例性实施例，井套管中的入口孔的直径为0.15至0.75英寸。无论上述设计和环境因素如何变化，0.35EHD射孔弹在套管中形成直径基本恒定为0.35英寸的入口孔，并且0.40射孔弹在套管中形成直径基本恒定为0.40英寸的入口孔。应当注意，本文中使用的术语“水隙”是射孔枪的外径与套管的内径之差。根据优选的示例性实施例，所述水隙的所述厚度为0.15至2.5英寸。例如，如果外径为3.5英寸的射孔枪不居中并放置在内径为5.5英寸的套管底部，则水隙为2英寸。在一些情况下，如果水隙从1英寸变为4英寸或套管的厚度从0.6英寸变为1英寸，则对于两个水隙，0.35EHD射孔弹可以形成直径为0.32375英寸至0.37625英寸的入口孔，或者换言之，变化小于7.5％。类似地，对于两个水隙，0.40EHD射孔弹将形成直径为0.40的入口孔，并且两个套管的厚度变化小于7.5％。对于任何含烃地层中的射孔，EHD的变化为7.5％和射孔长度的变化小于5％。根据优选的示例性实施例，含烃地层的类型选自页岩、碳酸盐、砂岩或粘土。
图6(0600)概况地示出了0.30EHD射孔弹(0601)、0.35EHD射孔弹(0602)和0.40EHD射孔弹(0603)的入口孔。每个射孔弹的入口孔的相位为0°、60°、120°、180°、240°、300°和360°。在各种相位中，0.30EHD射孔弹(0601)、0.35EHD射孔弹(0602)和0.40EHD射孔弹(0603)的变化小于7.5％，并且在大多数情况下小于5％。图7A(0700)概况地示出了5.5英寸套管中的0.40EHD射孔弹的示例图。该图表在Y轴上示出了对于X轴(0701)上的不同相位的入口孔直径(0702)。另外，在Y轴上概况地示出了对于X轴(0701)上的不同相位的入口孔直径(0703)的变化百分比。如图所示，对于所有不同的相位，0.40EHD射孔弹的EHD变化小于5％。应该注意的是，该变化不受套管中水隙变化的影响。类似的0.30EHD射孔弹(未示出)、0.35EHD射孔弹(未示出)和其他EHD射孔弹(未示出)的图表示出EHD的变化小于5％。如图2A(0200)所示，由现有技术射孔弹形成的EHD的变化超过30％。
图7B(0800)概况地示出了5.5英寸套管中的0.40EHD射孔弹的示例性流程图。该图表在Y轴上示出了对于X轴(0801)不同相位(定向度)的入口孔直径(0802)。另外，在Y轴上以设计压力百分比概况地示出了对于X轴(0801)上的不同相位的压力变化(0803)。如图所示，对于所有不同的相位，0.40EHD射孔弹的压降变化小于100％。应该注意的是，压力变化不受套管中水隙变化的影响。例如，对于500psi的设计压力，压降可小于1000psi。以给定速率注入流体所需的压力量随着孔的EHD的四次方变化而变化，并且可以与坑道的穿透长度的变化成正比。根据示例性实施例，示例性聚能射孔弹配置有包角、炸药重量，使得由聚能射孔弹形成的射流形成了基本恒定直径的入口孔以及含烃地层中的射孔坑道的基本恒定的穿透深度和直径。如图2B(0220)所示，现有技术射孔弹的压降变化大于450％。
图8(0820)概况地示出了5.5英寸套管中的0.40EHD射孔弹的示例性图。该图表在Y轴上示出了对于X轴(0811)上的水隙的入口孔直径(0812)。另外，对于X轴(0811)上的不同水隙，在Y轴上概括性示出入口孔直径(0813)的变化百分比。如图所示，对于所有不同的水隙，0.40EHD射孔弹的EHD变化小于5％。应该注意的是，变化不受套管中射孔弹相位变化的影响。类似的0.30EHD射孔弹(未示出)、0.35EHD射孔弹(未示出)和其他EHD射孔弹(未示出)的图表示出EHD变化小于5％。如图3(0300)所示的现有技术射孔弹的EHD变化超过30％。例如，对于1.2英寸的水隙，现有技术的射孔弹显示出33％的EHD变化，而由图5A(0500)和图5B(0540)所示的示例性射孔弹的EHD变化为4.9％。
如下表1.0中所示，0.30EHD射孔弹、0.35EHD射孔弹和0.40EHD射孔弹形成对应于0.30英寸、0.35英寸和0.40英寸的入口孔，分别具有3.8％、3.0％和3.8％的变化。根据优选的示例性实施例，入口孔直径的变化((最大直径-最小直径/平均直径)×100)小于7.5％。在其他情况下，变化小于0.02英寸的目标EHD。另外，每个射孔弹形成7英寸的穿透长度，而与所指出的其他因素无关，诸如枪外径、射击密度和相位、入口孔直径和套管直径。应该注意的是，诸如上述设计和环境因素之类的若干其他因素不会影响射孔坑道的穿透长度和直径。虽然诸如上述IPS-10和IPS-11的现有技术示出了低变化性，但未示出射孔坑道的穿透长度的变化性。表1.0中所示的优选实施例示出了小于5％的入口孔直径变化和基本恒定的穿透长度，而与诸如上述设计和环境因素之类的其他因素无关。根据优选的示例性实施例，所述含烃地层中的所述射孔坑道的长度为1至20英寸。根据另一优选的示例性实施例，含烃地层中射孔坑道的长度变化小于20％。根据又一优选的示例性实施例，含烃地层中的射孔坑道宽度的变化小于5％。坑道宽度的变化可以为2％至10％。例如，对于6英寸长的坑道，坑道的长度可以为4.8至7.2英寸或6±1.2。根据另一优选的示例性实施例，所述含烃地层中的所述射孔坑道的宽度为0.15英寸至1英寸。可以选择药形罩的包角以形成恒定直径的射流，该射流又形成恒定直径、长度和宽度的射孔坑道。恒定直径的射流使得在套管的顶部和底部上具有基本恒定直径的入口孔，而与水隙无关。
图9(0900)概况地示出了射孔枪(0902)的横截面，该射孔枪具有带药形罩(0904)的聚能射孔弹(0903)并且部署在井套管(0901)中。药形罩可以设计成具有包角(0905)。图9(0900)还示出了水隙(0906)，其被定义为套管(0901)的内径与射孔枪(0902)的外径之差。顶部(0910)的入口孔的直径与底部(0920)的入口孔的直径之比(EHD比)能够通过改变药形罩(0904)的包角和宽高比来控制。根据优选的示例性实施例，对于90°至100°的药形罩包角，EHD比小于1。根据另一优选的示例性实施例，对于100°至110°的药形罩包角，EHD比几乎等于1。根据又一优选的示例性实施例，对于大于110°的药形罩包角，EHD比大于1。根据优选的示例性实施例，药形罩的包角为90°至120°。根据更优选的示例性实施例，药形罩的包角为100°至120°。根据最优选的示例性实施例，药形罩的包角为108°至112°。110°的包角可使EHD比为1。
图10(1000)概况地示出了由用于射孔枪中的示例性聚能射孔弹形成的示例性射流的形状，该射孔弹包括壳体、位于壳体内的药形罩和填充在壳体和药形罩之间的炸药。药形罩可以成形为具有围绕药形罩顶点的包角、半径和宽高比，使得炸药在爆炸时形成恒定的射流。射流(1000)还包括尖端(1001)、尾端(1003)和位于尾端和尖端之间的延伸部分(1002)。延伸部分的直径(1004)从尖端附近到尾端附近大致恒定。由射流(1000)形成的入口孔的直径基本上是恒定的，并且不受设计和环境因素变化的影响。当射流行进通过套管中的水隙时，射流(1000)中的延伸部分(1002)在水隙中未被消除。该水隙可以类似于图9中所示的水隙(0906)。射孔枪可以居中于套管中。如图9所示，射孔枪可以不居中于套管中。尖端的速度可以稍微大于尾端的速度，使得延伸部分基本上不被拉伸，并且因此在进入含烃地层之后保持恒定的直径直到尖端进入地层。另外，延伸部分在进入含烃地层之前基本上没有被拉伸并保持恒定的直径，直到尖端进入地层。根据优选的示例性实施例，射流的直径为0.15英寸至0.75英寸。根据另一优选的示例性实施例，射流直径的变化小于5％。恒定EHD射孔弹经过独特设计和设置，以形成恒定直径(1004)的完全形成的射流。射流的形成发生在射孔弹壳体中并且靠近扇形/锪孔后面的枪架内壁。初始(射流形成)区域或尖端(1001)中的射流直径可以大于完全形成的直径。枪架和套管中的孔由射孔射流的不同部分形成。射流的不同部分具有不同的直径。枪架中的孔可以在射流形成过程中形成，并且比通过完全形成的射流在套管中形成的孔更大。枪架中的孔尺寸可以比套管中的孔尺寸大65％。枪中的孔尺寸通常与套管中的孔尺寸无关。这种现象是预期的，并且表明其功能正常。
分段射孔方法的优选示例性流程图实施例(1100)
如图11(1100)的流程图中概况地所示，优选的示例性井眼射孔方法具有多个示例性聚能射孔弹；多个射孔弹中的每一个配置为在套管中形成入口孔；多个射孔弹中的每一个配置有药形罩，所述药形罩具有围绕所述药形罩的顶点的包角；药形罩的包角为100°至120°；用多个射孔弹形成的入口孔直径的变化配置为小于7.5％并且变化不受设计和环境变量的影响。该方法通常可以根据以下步骤来描述：
(1)设置插塞并隔离出分段(1101)；
(2)设定入口孔的目标入口孔直径(1102)；
可以设定0.15英寸至0.75英寸的目标入口孔直径。
(3)为多个射孔弹中的每一个选择炸药装载量、包角、半径和宽高比(1103)；
可以选择炸药装载量以形成目标孔尺寸。例如，如表1.0所示，16g、20g和23g的炸药重量形成的入口孔的直径分别为0.30英寸、0.35英寸和0.40英寸。可以选择其他炸药重量来形成0.15英寸至0.75英寸的EHD。可以选择药形罩的包角以形成恒定直径的射流，该射流又形成恒定直径、长度和宽度的射孔坑道。诸如图10(1000)的恒定直径的射流使得在套管的顶部和底部上具有基本恒定直径的入口孔，而与如图9的水隙(0906)无关。
(4)将系统与多个射孔弹一起定位在井套管中(1104)；
(5)用多个射孔弹向含烃地层中射孔(1105)；
(6)形成具有入口孔直径的入口孔并完成所述分段(1106)；和
变化可以定义为((最大直径-最小直径/平均直径)×100)。根据优选的示例性实施例，不管设计和环境因素如何，入口孔直径的变化都小于7.5％。根据更优选的示例性实施例，入口孔直径的变化小于5％。另外，射孔坑道长度的变化可小于20％。
(7)在基本上不调节泵送速率的情况下以设计的速率在所述分段中泵送压裂流体(1107)。
基本恒定(变化小于7.5％)的入口孔直径和射孔坑道的基本恒定的穿透长度使得能够在无需操作者调节泵送速率的情况下以设计的注入速率进行压裂处理。较低的变化使压力保持在设计压力的100％以内，而对于常规深穿透射孔弹形成的射孔则为500％。
有限进入射孔的优选示例性实施例的流程图(1200)
有限进入射孔提供了以给定的注射速率在几个感兴趣的区域上转移压裂处理的极好方法。在给定的含烃地层中，多个压裂不是有效的，因为这会形成压裂流体的弯曲路径并且因此导致压力和能量的损失。在给定的井眼中，与用包括更多聚能射孔弹的簇来隔离较少区域相比，用包括较少聚能射孔弹的簇来隔离更多区域更有效。例如，在10000psi的压力下，为了实现每个射孔坑道2桶/分钟的流体速率，目前使用12至20个区域和12至15个簇，每个簇具有15至20个聚能射孔弹。相反，为了实现相同的流体速率，更有效的方法和系统是用更多簇来隔离80个区域并且在射孔时每簇使用2或4个聚能射孔弹。常规射孔系统使用每簇12至15个聚能射孔弹，同时以60/90/120度或0/180相位射孔。这形成了多个压裂平面，其对于压裂处理不是有效的，因为压裂流体沿曲折路径行进，同时泄漏每个压裂的能量/压力。期望在井眼附近形成最少数量的多个压裂，使得能量主要集中在优选的压裂平面上，而不是将能量泄露或损失到不期望的压裂。每个都具有2或4个射孔弹的60至80个簇可用于完井，以在石油和天然气生产期间实现最大效率。
如图12(1200)的流程图中概况地示出了具有示例性系统的优选示例性井眼射孔方法，该系统包括配置为排列在多个簇中的多个聚能射孔弹，所述多个射孔弹中的每一个配置为在套管中形成入口孔并且配置有药形罩，所述药形罩具有围绕所述药形罩的顶点的包角；药形罩的包角为100°至120°；利用多个簇中的每个簇内的多个射孔弹形成的入口孔的直径变化配置为小于7.5％并且该变化不受设计和环境变量的影响。根据优选的示例性实施例，每个分段中的簇的数量为2至10。该方法通常可以根据以下步骤来描述：
(1)设置插塞并隔离出分段(1201)；
当安装长的侧向套管时，管道内的摩擦损失需要在分段的趾端处具有较大入口孔。目前分段被设计为大于所需的入口孔。例如，由于EHD的不可预测性，当需要0.35EHD时，可以设计0.45EHD孔。具有低变化性的射孔弹的示例性实施例不需要为EHD过大设计射孔弹来克服套管中的摩擦损失。
(2)确定入口孔的目标直径(1202)；
可以设定0.15英寸至0.75英寸的目标入口孔直径。根据优选的示例性实施例，所有簇中的入口孔的直径基本相等。根据另一优选的示例性实施例，多个簇之一的目标入口孔直径和所述多个簇中的另一个簇的目标入口孔直径不相等。例如，如果一个分段中有3个簇，则每个簇中所有射孔弹形成的入口孔的目标直径从井上到井下可以是0.30英寸、0.35英寸和0.45英寸。这种不同EHD射孔弹的从井上到井下逐渐增加的直径布置使得流体能够限制在最小的孔中并且转移到下一个较大的孔并且进一步转移到最大的孔。在上面的例子中，流体在具有0.30英寸孔的簇中受到限制，然后转向0.35英寸的孔并进一步转向0.40英寸的孔。入口孔的可预测性和低变化性使得泵送速率基本上(丢失一些)达到设计的泵送速率。根据优选的示例性实施例，每个簇在压裂压力下压裂；所有簇的压裂压力的变化配置为小于500psi。例如，如果给定注射速率的设计压力为5000psi，压力变化小于500psi，或者所述设计压力为4500至5500psi。
(3)为多个射孔弹中的每一个选择炸药装载量、包角、半径和宽高比(1203)；
可以选择炸药装载量以形成目标孔尺寸。例如，如表1.0所示，16g、20g和23g的炸药重量形成的入口孔的直径分别为0.30英寸、0.35英寸和0.40英寸。可以选择其他炸药重量来形成0.15英寸至0.75英寸的EHD。可以选择药形罩的包角以形成恒定直径的射流，该射流又形成恒定直径、长度和宽度的射孔坑道。诸如图10(1000)的恒定直径的射流使得在套管的顶部和底部上具有基本恒定直径的入口孔，而与如图9(0906)的水隙无关。
(4)将系统与多个射孔弹一起定位在井套管中(1204)；
根据优选的示例性实施例，选择在趾端簇中形成的入口孔的目标入口孔直径和在位于趾端簇上游的另一簇中形成的入口孔的目标入口孔直径，使得在泵送步骤(8)期间套管的摩擦损失被抵消。例如，在上述步骤(2)中，趾端簇可具有0.45英寸的EHD，跟端簇可具有0.35英寸的EHD，并且套管的摩擦损失可以通过趾端和跟端簇的可预测EHD的差异来抵消。流体的压降和泵送速率可保持在1000psi范围内，同时也考虑到摩擦损失。
(5)用多个射孔弹射孔向含烃地层中射孔并用多个射孔弹中的每一个形成射流(1205)；
(6)用射流形成具有目标入口孔直径的入口孔(1206)；
(7)用射流形成射孔坑道；每个射孔坑道配置为具有基本相等的宽度和长度(1207)；
根据优选的示例性实施例，用多个簇中的每个簇内的多个射孔弹形成的射孔长度的变化配置为小于20％。类似地，用多个簇中的每个簇内的多个射孔弹形成的射孔宽度的变化配置为小于20％。
(8)在基本上不调节泵送速率的情况下以设计的速率在所述分段中泵送压裂流体(1208)；和
(9)在多个簇中基本同等地转移流体(1209)。
根据优选的示例性实施例，在泵送步骤(8)中将分流器与泵送流体一起泵送。分流器可选自固体分流器、化学分流器或球密封器。对于有限进入处理，重要的是每个簇同等地参与压裂处理。流体以高速率泵送，并且簇的数量受到限制，使得每个簇中的流体量受到限制。根据优选的示例性实施例，基本上恒定的入口孔连同分流器使得流体能够被限制并且在簇之间被同等地转移。根据另一优选的示例性实施例，每个簇中的多个射孔弹的数量还基于目标入口孔直径。例如，如果簇的数量是10，则目标直径可以是0.30英寸，以实现最大的压裂效率。替代地，簇的数量可以是5，目标直径可以是0.45英寸，以实现类似的最大压裂效率。能够通过入口孔直径的可预测变化来考虑EHD的设计、每簇的射孔弹数、每分段的簇数和每个区的分段数，以实现最大射孔和压裂效率。
压降方法的优选示例性实施例流程图(1300)
通过在压力-速率图上绘制自上次速率变化以来的相同时间的压力/速率数据点并将压力损失模型与这些点匹配来完成压降测试分析。在该模型的基础上，计算压力损失的射孔和曲折度分量，并估算定义参数。根据上述等式，射孔压力损失的关键因素之一是射孔的直径。射孔直径的大的变化导致射孔损失分量的大的变化。图5A(0500)或图5B(0540)中所示的示例性射孔弹导致7.5％内的EHD变化，使得总压力损失可归因于曲折度并且提供井眼附近的曲折度的测量。当对近井眼的曲折度建模时，可以设计具有更高精度和可预测性的分段。对于压降测试，必须尽可能多地控制变量，使得在速率变化期间的压力响应主要是由于射孔和曲折度，而不是其他一些因素。然而，如果由于射孔引起的压力变化由图5A(0500)或图5B(0540)中所示的示例性射孔弹控制，则速率变化期间的压力响应主要是由于曲折度。
图13(1300)的流程图概况地示出了用于结合部署在井套管中的射孔枪系统来确定含烃地层中的曲折度的压降方法；该系统包括多个聚能射孔弹，其中，所述多个射孔弹中的每一个配置为在具有期望入口孔直径的套管中形成入口孔。多个射孔弹中的每一个配置有药形罩，该药形罩具有围绕药形罩顶点的包角；药形罩的包角为100°至120°；每个入口孔之间的直径变化小于7.5％，并且该变化不受设计和环境变量的影响。该方法通常可以根据以下步骤来描述：
(1)设置插塞并隔离出分段(1301)；
(2)设定入口孔的目标入口孔直径(1302)；
可以设定0.15英寸至0.75英寸的目标入口孔直径。
(3)为多个射孔弹中的每一个选择炸药装载量、包角、半径和宽高比(1303)；
(4)将系统与多个射孔弹一起定位在井套管中(1304)；
(5)用多个射孔弹射孔向含烃地层中射孔(1305)；
(6)形成具有入口孔直径的入口孔并完成所述分段(1306)；
(7)将处理流体以不同的流体速率泵入所述分段的射孔坑道中(1307)；
(8)记录每种流体速率下的压力(1308)；和
(9)基于由井摩擦引起的压力损失计算地层的曲折度(1309)。
系统总结
本发明系统包括用于射孔枪中的聚能射孔弹的基本方案的各种变型，该射孔弹包括壳体、位于壳体内的药形罩、以及填充在药形罩内的炸药；药形罩形状配置有围绕药形罩顶点的包角、半径和宽高比，使得由炸药形成的射流在井套管中形成入口孔；药形罩的包角为100°至120°；射流在含烃地层中形成射孔坑道；其中，射流的直径、入口孔的直径以及射孔坑道的宽度和长度基本上是恒定的，并且不受设计和环境因素变化的影响。
另一种发明系统包括用于射孔枪中的聚能射孔弹的基本方案的各种变型，该射孔弹包括壳体、位于壳体内的药形罩、以及填充在药形罩内的炸药；药形罩形状配置有围绕药形罩的顶点的包角、半径和宽高比，使得由炸药形成的射流在井套管中形成入口孔；射流在含烃地层中形成射孔坑道；其中，射流的直径、入口孔的直径以及射孔坑道的宽度和长度基本上是恒定的，并且不受设计和环境因素变化的影响。
该系统概述可以通过本文所述的各种元素来增强，以形成与该整体设计描述一致的各种发明实施例。
方法总结
本发明方法包括基本实施方案的各种变型，但是能够概括为在井套管中使用射孔枪系统的分段射孔方法，其中，该系统包括多个聚能射孔弹；多个射孔弹中的每一个配置为在套管中形成入口孔；用多个射孔弹形成的入口孔直径范围配置为小于7.5％并且该变化不受设计和环境变量的影响；
其中，所述方法包括以下步骤：
(1)设置插塞并隔离出分段；
(2)设定入口孔的目标入口孔直径；
(3)为多个射孔弹中的每一个选择炸药装载量、包角、半径和宽高比；
(4)将系统与多个射孔弹一起定位在井套管中；
(5)用多个射孔弹向含烃地层中射孔；
(6)形成具有入口孔直径的入口孔并完成所述分段；和
(7)在基本上不调节泵送速率的情况下以设计的速率在所述分段中泵送压裂流体。
该方法概述可以通过本文所述的各种元素来增强，以形成与该整体设计描述一致的各种发明实施例。
系统/方法变型
本发明包括石油和天然气提取的基本方案的各种变型。先前提出的示例不代表可能的整个使用范围。其旨在提供几乎无限可能性中的几种可能性。
该基本系统和方法可以用各种附加实施例来增强，包括但不限于：
●一个实施例，其中射流的直径、入口孔的直径以及射孔坑道的宽度和长度基本恒定，并且不受以下设计和环境因素的影响：套管直径、枪直径、井套管厚度、井套管组成、射孔弹在射孔枪中的位置、射孔枪在井套管中的位置、井套管中的水隙或含烃地层的类型。
●一个实施例，其中，药形罩的厚度基本上是恒定的。
●一个实施例，其中，药形罩的厚度为0.01英寸至0.2英寸。
●一个实施例，其中，药形罩的宽高比为2英寸至5英寸。
●一个实施例，其中，药形罩的半径为0.01英寸至0.5英寸。
●一个实施例，其中，井套管中入口孔的直径为0.15英寸至0.75英寸。
●一个实施例，其中，井套管中入口孔直径的变化小于7.5％英寸。
●一个实施例，其中，含烃地层中的射孔坑道的宽度为0.15英寸至1英寸。
●一个实施例，其中，含烃地层中射孔坑道宽度的变化小于5％。
●一个实施例，其中，含烃地层中的射孔坑道的长度为1英寸至20英寸。
●一个实施例，其中，含烃地层中射孔坑道长度的变化小于20％。
●一个实施例，其中，射流的直径为0.15英寸至0.75英寸。
●一个实施例，其中，射流直径的变化小于5％。
●一个实施例，其中，井套管的厚度为0.20英寸至0.75英寸。
●一个实施例，其中，井套管的直径为4英寸至6英寸。
●一个实施例，其中，枪的直径为1英寸至7英寸。
●一个实施例，其中，射孔弹在射孔枪中的位置朝向上方。
●一个实施例，其中，射孔弹在射孔枪中的位置朝向下方。
●一个实施例，其中，射孔枪在井套管中的位置是居中的。
●一个实施例，其中，射孔枪在井套管中的位置是不居中的。
●一个实施例，其中，水隙的厚度为0.15英寸至2.5英寸。
●一个实施例，其中含烃地层的类型选自页岩、碳酸盐、砂岩或粘土。
●一个实施例，其中，射孔弹选自活性或常规射孔弹。
本领域技术人员将认识到，基于上述发明描述中教导的元素的组合，其他实施例是可能的。
结论
已经公开了一种用于射孔枪中的聚能射孔弹。射孔弹包括壳体、位于壳体内的药形罩、以及填充在壳体内的炸药。药形罩被成形为具有围绕顶点的包角、半径和宽高比，使得由炸药形成的射流在井套管中形成入口孔。射流在含烃地层中形成射孔坑道，其中射流的直径、入口孔直径以及射孔坑道的宽度和长度基本上是恒定的，并且不受以下设计和环境因素变化的影响，例如井套管的厚度和组成、射孔弹在射孔枪中的位置、射孔枪在井套管中的位置、井套管中的水隙和含烃地层的类型。

Claims (29)

1.一种用于射孔枪中的聚能射孔弹，所述射孔弹包括壳体、位于所述壳体内的药形罩、以及填充在所述药形罩内的炸药，
所述药形罩的形状配置有围绕所述药形罩的顶点的包角，使得用所述炸药形成的射流在井套管中形成入口孔；
所述药形罩的所述包角为100°至120°；
所述药形罩具有外表面，所述外表面基本上是直的并且锥形地逐渐变细以形成所述顶点；
所述射流在含烃地层中形成射孔坑道；
其中，所述射流的直径基本上等于由第二聚能射孔弹形成的第二射流的直径，所述入口孔的直径基本上等于由所述第二射孔弹形成的第二入口的直径，并且所述射孔坑道的宽度和长度基本上等于由所述第二射孔弹形成的第二射孔坑道的宽度和长度。
2.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述药形罩的厚度基本上是恒定的。
3.根据权利要求2所述的聚能射孔弹，其中，所述药形罩的所述厚度为0.01英寸至0.2英寸。
4.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述井套管中的所述入口孔的直径为0.15英寸至0.75英寸。
5.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述井套管中的所述入口孔的所述直径的变化小于7.5％。
6.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述含烃地层中的所述射孔坑道的宽度为0.15英寸至1英寸。
7.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述含烃地层中的所述射孔坑道的所述宽度的变化小于5％。
8.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述含烃地层中的所述射孔坑道的长度为1英寸至20英寸。
9.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述含烃地层中的所述射孔坑道的所述长度的变化小于20％。
10.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述射流的所述直径为0.15英寸至0.75英寸。
11.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述射流的所述直径的变化小于5％。
12.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述井套管的厚度为0.20英寸至0.75英寸。
13.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述井套管的直径为4英寸至6英寸。
14.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述枪的直径为3英寸至12英寸。
15.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述射孔弹在所述射孔枪中的位置朝向上方。
16.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述射孔弹在所述射孔枪中的位置朝向下方。
17.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述射孔枪在所述井套管中的位置是居中的。
18.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述射孔枪在所述井套管中的位置是不居中的。
19.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，水隙的厚度为0.15英寸至2.5英寸。
20.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述含烃地层的类型选自页岩、碳酸盐、砂岩或粘土。
21.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述射孔弹选自活性或常规射孔弹。
22.一种用于射孔枪中的聚能射孔弹，所述射孔弹包括壳体、位于所述壳体内的药形罩、以及填充在所述壳体和所述药形罩之间的炸药；所述药形罩的形状配置有围绕所述药形罩的顶点的包角，使得所述炸药在爆炸时形成恒定的射流；所述药形罩具有外表面，所述外表面基本上是直的并且锥形地逐渐变细以形成所述顶点；所述药形罩的所述包角为100°至120°；所述射流还包括尖端、尾端和位于所述尾端和所述尖端之间的延伸部分；所述延伸部分的直径从所述尖端附近到所述尾端附近基本恒定，并且其中，由所述射流形成的入口孔的直径基本上等于由第二聚能射孔弹形成的第二入口孔的直径。
23.根据权利要求22所述的聚能射孔弹，其中，当所述射流行进通过所述井套管中的所述水隙时，所述射流中的所述延伸部分在水隙中未被消除。
24.根据权利要求22所述的聚能射孔弹，其中，所述尖端的速度略大于所述尾端的速度。
25.根据权利要求22所述的聚能射孔弹，其中，所述延伸部分基本上没有被拉伸；所述延伸部分在进入含烃地层之后保持所述直径，直到所述尖端进入所述地层。
26.根据权利要求22所述的聚能射孔弹，其中，所述延伸部分基本上没有被拉伸；所述延伸部分在进入含烃地层之前保持所述直径，直到所述尖端进入所述地层。
27.一种在井套管中使用射孔枪系统的分段射孔方法；所述系统包括多个聚能射孔弹；所述多个射孔弹中的每一个配置为在所述套管中形成入口孔；所述多个射孔弹中的每一个配置有药形罩，所述药形罩具有围绕所述药形罩的顶点的包角；所述药形罩具有外表面，所述外表面基本上是直的并且锥形地逐渐变细以形成所述顶点；所述药形罩的所述包角为100°至120°；用所述多个射孔弹形成的入口孔的直径变化配置为小于7.5％；
其中，所述方法包括以下步骤：
(1)设置插塞并隔离出分段；
(2)设定所述入口孔的目标入口孔直径；
(3)为所述多个射孔弹中的每一个选择炸药装载量、包角、半径和宽高比；
(4)将所述系统与所述多个射孔弹一起定位在所述井套管中；
(5)用所述多个射孔弹向含烃地层中射孔；
(6)形成具有所述入口孔直径的所述入口孔并完成所述分段；和
(7)在基本上不调节泵送速率的情况下以设计的速率在所述分段中泵送压裂流体。
28.一种用于射孔枪中的聚能射孔弹，所述射孔弹包括壳体、位于所述壳体内的药形罩以及填充在所述药形罩内的炸药；所述药形罩的形状配置有围绕所述药形罩的顶点的包角，使得用所述炸药形成的射流在井套管中形成入口孔；所述药形罩的所述包角为100°至120°；所述药形罩基本上不是类椭圆形、椭圆形或半椭圆形；所述射流在含烃地层中形成射孔坑道；其中，所述射流的直径基本上等于第二射孔枪中第二聚能射孔弹形成的第二射流的直径，所述入口孔的直径基本上等于所述第二射孔枪中所述第二射孔弹形成的第二入口的直径，并且所述射孔坑道的宽度和长度基本上恒等于所述第二射孔枪中所述第二射孔弹形成的第二射孔坑道的宽度和长度。
29.根据权利要求1所述的聚能射孔弹，其中，所述第二聚能射孔弹定位在第二射孔枪中。
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