CN111133171A - 油井增产装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种油井增产装置，该油井增产装置具有一个或多个细长拉杆、联接至该一个或多个拉杆的至少一个密封组件、以及用于产生压力事件的增产材料。该压力事件可对位于井筒的隔离部分周围的地层的目标部分进行增产。该对密封组件可在用于使油井增产装置在井筒中移动的休眠状态与用于限定井筒的隔离部分的活动状态之间致动。

Description

油井增产装置及其使用方法

技术领域

本公开总体涉及一种用于对油井附近的地层的目标部分进行增产的装置、系统和方法。本公开尤其涉及一种能够产生井眼的密封部分并使用流体对油井的密封部分附近的地层的目标部分进行增产的装置、系统和方法。

背景技术

油井增产是一种在石油和天然气行业中用于从地下地层收集和提取流体(例如烃类)的过程。油井增产有助于从地下地层生产流体，并且可包括对任何井筒进行开孔、压裂地层、向地层注入流体、和/或其他增产作业的步骤。

已知的水力油井增产作业首先用一个或多个隔离机构隔离井筒的一部分。井筒的隔离部分靠近作为增产目标的地层区域。然后在高压下从地面注入流体，以通过井筒的隔离部分对地层的目标区域进行增产。在增产后，停用隔离机构，并且可隔离下一个井筒部分以进行增产。水力压裂面临许多难题，包括但不限于：积累足以引起增产的压力所需的时间较长，例如，典型的水力压裂作业需要10到100分钟来积累足够的压力；需要大量水，例如，每口井500万加仑水是典型的用水量；并且需要大量支撑剂，例如，可能需要30万磅至400万磅砂子。此外，在水力油井增产作业期间产生的裂缝可能仅限于井筒的隔离部分内的两个径向相对的裂缝。

基于推进剂或基于气体的油井增产也是已知的。例如，基于气体的油井增产通过产生从井中流出的高压气体来产生压力事件，以对地层的目标区域进行增产。但是，许多已知的基于气体的增产作业局限于竖直井段，压力事件持续时间短，并且压力事件通常不集中在地层的期望目标区域内。已知的基于气体的增产作业的这些特点会导致无效增产。

发明内容

本公开的实施例涉及一种在油井的隔离区域内产生压力事件的装置、系统和方法。该压力事件具有足够的量值和持续时间，可用于对地层的目标区域进行增产。

本公开的一些实施例涉及一种油井增产装置，该油井增产装置包括：具有第一端和第二端的拉杆；配置为固定在拉杆周围的增产材料容器；以及可联接至拉杆的第一端的密封组件，该密封组件可在休眠状态和活动状态之间致动，以隔离井筒的一部分。

不受任何特定理论的束缚，本公开的实施例避免了使用大量水和支撑剂，而这是其他已知的增产作业通常需要的。此外，本公开的实施例通过使增产材料爆燃来产生压力事件，并将该压力事件从井筒的隔离部分集中到地层的目标区域中，使得随着现有低内聚力裂缝和高内聚力裂缝的打开能产生新的裂缝。本公开的实施例可用于对新井、需要侧钻的井、甚至完井受损的井进行增产。

此外，本公开的实施例可提供更多益处，例如但不限于：维持压力事件，并将压力事件从井筒的隔离部分内集中到地层的目标区域中；调节压力事件曲线，以满足期望的规范或要求；在压力事件期间，保持装置在井筒的隔离部分内的位置和完整性；不完全依靠弹性材料来密封油井的一部分；且明确地定位密封元件的相对位置，而不损坏或堵塞井筒的其他部分。

附图说明

图1是用于对竖直井附近的地层的目标区域进行增产的系统的一个示例的示意图；

图2是用于对水平井段附近的地层的目标区域进行增产的系统的一个示例的示意图；

图3是本公开的一些实施例的装置的侧视立面图，该装置与用于对地层的目标区域进行增产的系统结合使用；

图4是沿图3所示的剖切线A-A截取而获得的图3所示的装置的横截面图；

图5是图3所示的装置的侧视立面图，其中移除了气体发生器组件，以示出该装置的其他部件；

图6示出了与图4所示的装置结合使用的拉杆的一个实施例，其中图6A示出了拉杆的侧视立面图；图6B示出了拉杆的如图6A中的圆圈A所标示的放大部分；图6C示出了如图6A中的圆圈B所标示的拉杆部分的放大侧视立面图；

图7是图4所示的装置的两个部分的放大横截面图，其中图7A示出了该装置的如图4中的圆圈Y所标示的部分的放大侧视立面图；图7B示出了该装置的如图4中的圆圈X所标示的部分的放大侧视立面图；

图8是与图3所示的装置结合使用的密封组件处于非密封位置时的侧视立面图；

图9是沿图8所示的剖切线B-B截取而获得的图8所示的密封组件的横截面图；

图10是图8所示的密封组件处于密封位置时的侧视立面图；

图11是沿图10所示的剖且线E-E截取而获得的密封组件的横截面图；

图12是密封组件的如图9所示的圆圈Z所标示的部分的放大横截面图，其中密封元件处于休止角的形态；

图13是密封组件的如图11中的圆圈T所标示的部分T的放大横截面图，示出了密封元件以迎角处于密封位置；

图14示出了本公开的致动气体发生器主体的一个实施例，该致动气体发生器主体与图4所示的装置结合使用，其中图14A示出了致动气体发生器主体的后视立体图；图14B示出了致动气体发生器主体的前视立体图；图14C示出了致动气体发生器主体的后视立面图；图14D示出了致动气体发生器主体的侧视立面图；图14E示出了致动气体发生器主体的如图14C中的圆圈A所标示的放大部分；

图15示出了本公开的活塞壳体的一个实施例，该活塞壳体与图4所示的装置结合使用，其中图15A示出了活塞壳体的侧视立面图；图15B示出了沿着图15A所示的剖且线D-D截取而获得的活塞壳体的横截面图；

图16是图8所示的密封组件的密封元件的透视图；

图17是图16所示的密封元件的俯视平面图；

图18是图16所示的密封元件的仰视平面图；

图19是沿图16所示的剖切线C-C截取而获得的密封元件11的横截面图；

图20是示出至少两个图3所示的装置的结合的示意图；

图21是控制器的示意图，该控制器具有并联连接的不只一个开关，这些开关用于控制至少一个图20所示的装置；

图22是控制器的一系列示意图，该控制器具有串联连接的不止一个开关，并执行一个序列以控制图3所示的至少一个装置，其中图22A示出了处于未激活形态的控制器，而图22B、图22C和图22D示出了激活序列的进一步步骤；

图23是本公开的另外一些实施例的控制器的示意图，该控制器具有用于控制多个图20所示的装置的处理器；

图24是与本公开的系统结合使用的关节连接器的示意性侧视图；

图25是图24所示的关节连接器的一系列示意图，该关节连接器的一端连接至图3所示的装置，另一端连接至来自地面的一条管线，其中图25A示出了关节连接器大致处于中央位置；图25B示出了关节连接器处于第一位置以适应来自地面的管线的运动，图25C示出了关节连接器处于第二位置以适应来自地面的管线的运动；

图26示出了本公开的装置的另一个实施例，该装置与用于对地层的目标区域进行增产的系统结合使用，其中图26A是该装置的侧视立面图；图26B是沿图26A所示的剖切线A-A截取而获得的横截面图；以及

图27示出了密封元件的另一个实施例，其中图27A示出了密封元件的俯视平面图；图27B示出了密封元件的透视图；图27C示出了密封元件的侧视透视图，图27D示出了沿图27C所示的剖切线A-A截取而获得的密封元件的横截面图；图27E是沿图27C所示的剖切线A-A截取的横截面图，但是是密封元件的另一个实施例的横截面图。

具体实施方式

本公开的实施例涉及一种装置和包括该装置的系统。该装置和系统可用于隔离油井(也可称为井筒)的一部分，并且用于利用压力事件对该隔离部分附近的地层的目标区域进行增产。所述装置和系统配置为通过使增产材料爆燃产生压力事件，并将压力事件的能量集中到目标区域中。可对该压力事件进行调节以满足预定要求，从而影响地层的目标区域的所需增产。

在本公开的一些实施例中，所述装置包括一个或多个拉杆，这些拉杆在每一端固定至一个或多个密封元件。在压力事件期间，所述一个或多个拉杆在相对的密封元件之间保持基本上恒定的距离。

在本公开的一些实施例中，所述装置包括多个叠置的可致动密封元件。这些密封元件可以是干燥的，或者可选地涂覆有粘性和/或可变形的密封材料，例如油脂。所述密封元件可在密封位置与非密封位置之间移动。该密封位置在本文中也可称为活动状态，并且该位置对于形成抵靠油井的内表面的不完全的流体密封是有用的。本领域技术人员应理解，在形成这种密封时，当密封元件处于活动状态时，来自压力事件的一些流体和/或能量可能从密封处逸出。允许一些流体和/或能量通过密封元件逸出提供了一种安全措施，可避免对所述装置或所述装置所在的井筒造成损害。但是，当密封元件处于活动状态时，它们将来自压力事件的流体和/或能量集中到目标区域中，以对其进行增产。如下文所进一步说明，该活动状态可以是临时状态。所述非密封位置在本文中也可称为休眠状态，并且该位置在所述装置和/或所述系统在井筒内移动时可能是有用的。

在本公开的一些实施例中，所述密封元件可由致动主体致动到活动状态，该致动主体例如但不限于：致动气体发生器、液压驱动机构、气压驱动机构、机械机构(例如弹簧)、电机、电磁线圈、或者它们的组合。密封元件可被在压力事件期间通过使容纳在所述装置中的增产材料爆燃而产生的高压气体保持在活动状态。该密封元件可由被动机构返回到非密封位置，或者可由以下机构返回到非密封位置：另一个气体发生器、液压驱动机构、气压驱动机构、机械机构(例如弹簧)、电机、电磁线圈、或者它们的组合。

图1和2示出了典型的井场100，在该井场中正在进行油井增产过程。

井场100包括在钻架104下形成并从地面向下延伸到地下地层106中的井筒102。井筒102可以是如图1所示的竖直井筒，或者是从地面基本上竖直地向下延伸到预定深度然后偏离到基本上水平的井段的水平井(如图2所示)。如本领域中已知的，井筒102可使用穿孔套管来下套管，或者井筒102可不下套管。

来自地面108的管线从地面延伸到井筒102中，并且在一端可连接至一个或多个油井增产装置120。在本公开的一些实施例中，管线108是用于在地面与一个或多个油井增产装置120的近侧之间传导流体的导管。导管类型的一些例子包括但不限于：接合管和连续油管。在本公开的一些实施例中，管线108包括一根或多根用于在地面与一个或多个油井增产装置102之间传输电信息的导线。导线类型的一些例子包括电缆、滑线和电线。在本公开的一些实施例中，管线108包括导管和导线。管线108可连接至一个或多个油井增产装置120，每个油井增产装置120位于相对于地下地层106的所需位置。每个油井增产装置120包括两组密封元件122，这两组密封元件布置在所述装置的两个相对端周围，以隔离井筒102的一部分。装置120还包括气体发生器组件126，该气体发生器组件可通过产生高压流体124来产生压力事件。该高压流体从井筒102的密封部分径向向外流动，以对密封部分附近的地下地层106的目标区域进行增产。

图3是本公开的一些实施例的油井增产装置120的侧视图。油井增产装置120包括气体发生器组件126和至少一个密封组件128，但是优选包括沿着油井增产装置120的纵向轴线(由图3中的线A-A限定)布置的一对相对的密封组件128。相对的密封组件128彼此隔开，气体发生器组件126位于它们之间。在图3所示的示例中，两个密封组件128之中的每一个都位于油井增产装置120的相对端130A、130B之中的一个附近。

请参考图4，气体发生器组件126包括细长拉杆132，该拉杆配置为在其周围接收增产材料容器134。在本公开的一些实施例中，增产材料容器134为一个或多个套管的形式，该套管配置为固定在拉杆132周围，并在其中接收增产材料。拉杆132由具有高抗拉强度的刚性材料制成，例如钢材。拉杆132构造为具有能够承受由在装置120的操作期间产生的压力事件所产生的拉伸载荷的强度。本领域技术人员应理解，有多种材料适合于承受这种拉伸载荷，包括多种类型的钢和铁。在本公开的一些实施例中，拉杆132由马氏体时效钢制成，并且其横截面积大约为井筒102的横截面积的1/3.84。拉杆132能承受由峰值压力大约为1万磅每平方英寸(psi)至5万psi的压力事件产生的拉伸载荷。

如图4、图7和图5所示，拉杆132可在其两端通过紧固件136联接至两个密封组件128。本领域技术人员应理解，紧固件136可以是在由压力事件产生的拉伸载荷下能够使拉杆132在每一端保持联接至密封组件128的状态的任何类型的机械紧固件。本领域技术人员还应理解，紧固件136包括通过紧固方法形成的其他类型的连接，包括焊接、干涉配合、钎焊、铆接、以及它们的组合。适当的机械紧固件136的类型包括但不限于：机制螺钉、螺栓法兰、夹紧法兰、以及锯齿螺纹或其他类型的螺纹连接。图6A示出了第一端132A和第二端132B之中的每一个处的锯齿螺纹连接的一个示例。图6B示出了具有第一螺纹构件133A的第一端132A，该第一螺纹构件133A能够以向外螺旋的方式至少部分地围绕第一端132A延伸。图6C示出了具有第二螺纹构件133B的第二端132B，该第二螺纹构件133B能够以向外螺旋的方式至少部分地围绕第二端132B延伸。第一螺纹构件133A和第二螺纹构件133B可限定相同或不同的角度(与装置120的纵向轴线相比)。本领域技术人员应理解，若紧固件136是锯齿螺纹连接，则第一螺纹构件133A可与第二螺纹构件133B相反地构造，以使拉杆132在承受在压力事件期间产生的拉伸载荷时更好地保持与密封元件128形成的连接。

在本公开的一些实施例中，可使用可选的机制螺钉138来进一步将每个密封组件128紧固到拉杆132上。在油井增产装置120的操作期间以及在紧固件136失效的情况下，机制螺钉138有助于保持拉杆132与密封组件128之间的联接。

在本公开的一些实施例中，拉杆132可具有适合于根据需要隔离井筒部分的长度。在一些其他实施例中，拉杆132的长度可根据待使用的增产材料量和/或其他油井特点来设计。在本公开的其他实施例中，装置120可设有不止一个相同或不同长度的拉杆132。当在井场100上组装油井增产装置120时，操作人员可选择具有所需长度的拉杆132。

拉杆132决定密封组件128相对于彼此的位置，因此，拉杆132被视为有助于主动定位密封元件122，以限定井筒102的隔离部分。拉杆132防止密封组件128在压力事件期间产生的力的作用下移动。拉杆132还可用作增产材料容器134的支撑结构。

如图4和图7所示，增产材料容器134可包括内壁142、外壁144、以及处于由内壁142和外壁144限定的环空内的增产材料146。增产材料146(在本文中也称为“增产推进剂”、“推进剂”、“增产材料”或“增产剂”)是可点燃、爆燃、燃烧、爆炸、或发生组合作用以产生压力事件的材料，该压力事件由来自装置120的高压气体流量限定，以对周围地层的目标区域进行增产。

在本公开的一些实施例中，增产材料146包括基质，燃料或燃料与氧化剂的混合物可嵌入在该基质中。增产材料146优选在井筒102内常现的温度(低于大约100℃)和压力(低于大约2000psi)下保持稳定。

在本公开的一些实施例中，所述基质是选自但不限于下列物质的聚合物型粘合剂：聚硫化物；聚丁二烯丙烯酸；聚丁二烯-丙烯腈；聚氨酯；羧基封端的聚丁二烯；羟基封端的聚丁二烯；聚氯乙烯；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、或者它们的组合。在本公开的一些实施例中，优选的基质包括羟基封端的聚丁二烯。

在本公开的一些实施例中，所述燃料可以是：金属、非金属、或者它们的组合。例如，所述金属可以是下列金属之中的一种或多种，但不限于这些金属：铝、镁、锌、铁或铜。所述非金属可以是但不限于：硼、硅、或者它们的组合。所述燃料可以是粉末状的，也可以不是粉末状的。所述燃料可以是化合物、合金、或者它们的组合。

在本公开的一些实施例中，所述氧化剂可以是：给氧盐；无机高氯酸盐化合物(例如高氯酸铵或高氯酸钾)；无机硝酸盐(例如硝酸铵或硝酸钾)；硝胺(例如环三亚甲基三硝胺或环四次甲基四硝胺)；或者它们的组合。在本公开的一些实施例中，优选的氧化剂是高氯酸铵。

在本公开的一些实施例中，所述基质和所述燃料可以是增产材料146的相同成分。例如，该成分可以是聚酯基成分(例如聚苯乙烯或聚丙烯)；纤维素基成分(例如硝化纤维素)；或者其他形式的含能聚合物。在这些实施例中，增产材料146包括氧化剂和组合的单一燃料/基质成分。

可选地，增产材料146还可包括其他成分，例如但不限于：硬化剂；固化剂；燃烧速率催化剂；燃烧速率抑制剂；或者它们的组合。

本领域技术人员应理解，有多种形式的增产材料146适合于在本发明中使用，但在此未具体列出。

在本公开的一些实施例中，使增产材料爆燃可产生峰值压力为大约10000psi至50000psi的压力事件。在本公开的一些实施例中，所述压力事件可具有大约15000psi至40000psi的峰值压力。在本公开的另一些实施例中，所述压力事件可具有大约20000psi至大约30000psi的峰值压力。在本公开的一些实施例中，积聚到峰值压力所需的时间(在此也称为“压力上升时间”)为大约10毫秒至大约1000毫秒。在本公开的一些实施例中，所述压力事件的总持续时间为大约10毫秒至20秒。

如图7A所示，一个或多个增产激活设备148(也称为引发器)嵌入或结合到增产材料146中，以点燃增产材料146。点燃增产材料146会引发增产材料146的爆燃。在本公开的一些实施例中，增产激活设备148是电点火设备，并且包括电连接至控制器(如下文所述)的电输入端子150。

在本公开的一些实施例中，增产材料容器134的外壁144是至少部分地可消耗的壁。例如，外壁144可包括很薄的一层塑料、金属等，当增产材料146被点燃和爆燃时，该薄层可被高压气流破坏、分解、消耗或者至少部分地消耗。外壁144的部分或全部消耗使产生的高压气体在最小的阻力下流出增产气体发生器组件126。在本公开的其他实施例中，外壁144可由刚性材料(例如钢材)制成，并且包括多个孔，产生的高压气体可流过这些孔。

图8、图9和图12示出了处于休眠状态的密封组件128的结构。如图所示，密封组件128包括心轴152，该心轴在其第一端156具有用于将密封组件128连接至拉杆132的紧固件136。心轴152可在其第二端158通过适当的联接器(未示出)联接至致动主体154，例如通过螺纹紧固件、螺栓和螺母等联接。致动主体154也包括适当的联接器(未示出)，该联接器用于联接至管线108或另一个组件，例如另一个油井增产装置120。

心轴152可限定邻近紧固件136的孔164，该孔用于接收螺栓构件138(参见图7B)，以进一步将心轴152联接至拉杆132。纵向孔162从心轴152的第二端158延伸至螺栓孔164，以向其中插入备用螺栓138。

心轴152在外表面上包括从其第二端158径向向外延伸的止动肩170，该止动肩用于支撑弹簧192的一端(在下文中进一步说明)。心轴152的外表面还限定靠近第二端158的外周凹部172，并且具有可朝第一端156倾斜的外周径向边缘174。至少两个密封元件122彼此偏离地叠置在外周凹部172内。密封元件122配置为在休眠状态与活动状态之间移动，以形成井筒102的隔离部分。为了使密封元件122在休眠状态与活动状态之间移动，每个密封元件122的外边缘182(在图16中示出)配置为相对于装置120的纵向轴线(在图3中示为线A-A)径向移动，以与井筒102的内壁或其中的井管接合。在本公开的一些实施例中，每个密封元件122的相对内边缘186(参见图16)可固定至凹部172，也可不固定至凹部172。在内边缘186不固定的情况下，每个密封元件122的内边缘186可在凹部172内基本平行于装置120的纵向轴线移动。

可选地，心轴152的外表面还可包括两个或更多个定心构件153，每个定心构件153配置为从心轴152的外表面向外延伸，并与井筒102的内表面接合，或者与可位于心轴152与井筒102的内表面之间的套管的内表面接合。虽然附图仅示出了一个定心构件153，但是本领域技术人员应理解，需要至少两个定心构件153或者优选三个或更多定心构件，以使心轴152以及井筒102内的油井增产装置120居中。本领域技术人员应理解，可使用多种类型的机构来使定心构件153向外延伸，包括但不限于：液压型机构、气压型机构、机械机构(例如弹簧)、电机、电磁线圈、或者它们的组合。

密封元件122由适合承受在压力事件期间产生的压力的一种或多种材料制成。在本公开的一些实施例中，当安装在心轴152上时，密封元件122可以是干燥的，或者涂有粘性密封材料，例如油脂。在本公开的一些实施例中，密封元件122由4140钢制成。但是，本领域技术人员应理解，密封元件122可由任何适当的材料制成，例如但不限于：金属、金属合金、陶瓷、弹性体、或者它们的组合。

图8示出了本公开的多个实施例，其中各个密封元件122以一个字母标示，距第一端156最远的密封元件标示为122A，其他密封元件标示为122B、122C、122D、122E，距第一端156最近的密封元件标示为122F。本领域的技术人员应理解，该术语仅是示例性的，而不是意图限制密封组件128的密封元件122的总数。

在本公开的一些实施例中，所有密封元件122A-122F都由刚性材料制成。在本公开的一些实施例中，所有密封元件122A-122F都由相同的材料制成，该材料是柔性材料、弹性材料、或者它们的组合。在本公开的一些实施例中，密封元件122A-122F由相同或不同的材料制成。在本公开的一些实施例中，密封元件122A和122F由相同的第一材料制成，而密封元件122B-122E由一种或多种材料制成。在这些实施例中，所述第一材料比所述一种或多种材料硬。在本公开的一些实施例中，构成密封元件122B的材料的硬度小于构成其他密封元件122A和122C-122F的材料的硬度。

如图16至图19的实施例所示，每个密封元件122具有环段或环形段形状，该形状具有圆滑外边缘182、弧形周槽184和圆滑内边缘186。凹槽184用于在其中配装弹簧192，以提供将密封元件122保持在休眠状态的恢复偏压力。本领域技术人员应理解，凹槽184可为不同的形状，以适应弹簧192的形状或取向。本领域技术人员还应理解，本公开的一些实施例涉及不具有凹槽184的密封元件122。在这些在没有凹槽184的实施例中，弹簧192可以是位于一个或多个相邻密封元件122之间的多个弹簧，用于提供恢复偏压力，以将这些密封元件122偏压至休眠状态。圆滑内边缘186可提供用于与凹槽172接合的浮动接口。图27示出了密封元件122的另一些实施例，该密封元件具有平坦外边缘182A和圆滑内边缘186A(图27D)或平坦内边缘186B(图27E)。

请参考图9，密封元件122相对于基准纵向方向176(在图12和图13中示出)成锐角地布置在心轴152的凹部172中，并面向其第一端156。在此，当密封元件122处于休眠状态时(参见图12)，每个密封元件122与基准纵向方向176之间的角度称为休止角α，当密封元件122处于活动状态时，该角度称为迎角β(参见图13)。休止角α和迎角β均可以是面向第一端156(因而面向油井增产装置120的中心)的锐角，并且迎角β通常大于休止角α。在一些实施例中，休止角α选择为大约0°至大约75°，迎角β选择为大约10°至大约80°。

请再次参考图9所示的非限制性实施例，密封组件128在止动肩170与密封元件122之间的心轴152的外表面上包括偏压组件190，该偏压组件用于移动密封元件122和/或将密封元件122可释放地保持在休眠状态。在这些实施例中，偏压组件190包括布置为抵靠止动肩170以向油井增产装置120的中心提供偏压力的弹簧192、以及用于与密封元件122接合并向密封元件122传递偏压力的偏压套环194。本领域技术人员应理解，可使用其他机构代替偏压组件190以移动密封元件122和/或将密封元件122保持在休眠状态。

密封组件128还包括致动组件200，该致动组件用于克服偏压组件190的偏压力并将密封元件122致动至活动状态。如图9所示，致动组件200包括用于将密封元件122致动至活动状态的致动接头151。在本公开的一些实施例中，致动接头151配置为容纳致动主体154；具有一个或多个可在其中移动的活塞204的活塞壳体202、以及用于在其与偏置组件190相对的一侧与密封元件122接合的致动套环206。在本公开的一些实施例中，致动主体154是致动气体发生器，该致动气体发生器包括用于容纳产生致动气流的致动推进剂(未示出)的致动推进剂室208。图14更详细地示出了致动主体154。尤其是，致动主体154具有两个相对的端部154A和154B(参见图14A和14B)。端部154A限定用于接收紧固构件(未示出)的多个孔口155，所述紧固构件用于将护盖154C紧固到密封组件128内的致动主体154的端部154A上。第一端154A还限定一个或多个通道157(图14C、14D和14E)，这些通道配置为接收一根或多根导线或导管线(未示出)，并用于将该导线或导管线导引到致动推进剂室208中，从而可将信号(例如电信号、气动信号或液压信号)传送到致动推进剂室208中，以直接点燃(或者通过致动激活设备214间接点燃)其中的致动推进剂。在端部154B的近侧，致动主体154包括用于使致动主体154与气体发生器接头151配合的配合段159。例如，配合段159可配置为可配合地接收在气体发生器接头151内，例如通过布置在配合段159的外表面上的一个或多个配合构件和气体发生器接头151的内表面进行。例如，配合段159可包括螺纹连接构件，该螺纹连接构件可与气体发生器接头151上的相应螺纹连接构件通过螺纹连接。本领域技术人员应理解，有多种不同类型的配合构件可用于与致动接头151内的致动主体154配合。

致动推进剂室208配置为与一个或多个气体通道212流体连通，并通过该气体通道与活塞壳体202的内腔室流体连通。从而致动推进剂在被点燃时会爆燃并产生加压气体，该加压气体可流过一个或多个气体通道212，穿过内腔室，并作用在活塞204的表面上。可选地，致动推进剂室208包括安全隔膜210，该安全隔膜将致动推进剂保持在致动推进剂室208内，直到致动推进剂室208内的压力超过安全隔膜210的额定压力。在本公开的一些实施例中，所述一个或多个活塞204可以是在密封组件128的外表面周围的类似环形的活塞壳体202内延伸的单个环形活塞。在这些实施例中，内腔室也在密封组件128的外表面周围环形地延伸。

图15示出了活塞壳体202的一个替代实施例。活塞壳体202包括一个或多个活塞室222，每个活塞室在其中可移动地接收活塞204(未示出)。活塞壳体202还包括一个或多个气体通道226，这些气体通道作为内腔室，以在所述一个或多个气体通道212与所述一个或多个活塞室222之间实现流体连通。活塞壳体202可固定到心轴152上，所述一个或多个气体通道226与所述一个或多个气体通道212流体连通。

请再参考图8和图9，在组装后，当密封组件128处于休眠状态时，密封元件122被偏压组件190偏压，以休止角α处于径向位置(如图12所示)。为了将密封组件128致动到激活状态，致动激活设备214点燃致动推进剂室208中的致动推进剂，该致动激活设备214可以是电点火装置。驱动推进剂的点燃导致爆燃，并产生加压气体。该加压气体通过一个或多个气体通道212流入活塞壳体202中的通道。如图10和图11所示，加压气流然后使一个或多个活塞204致动并从活塞壳体202移出，从而驱动致动套环206克服偏压组件190的偏压力，并将密封元件122大致向上致动至迎角β。此时，可认为密封组件128处于活动状态。

现在请再参考图1和图2，一个或多个油井增产装置120可连接至管线108，并延伸到井筒102中的所需位置。为了隔离井筒102的一部分并对其进行增产，致动主体154产生致动压力事件，由此加压气流使密封组件122致动到活动状态，在该活动状态下，密封元件122被调节到迎角β，以与套管或井筒的内表面接合，从而在井筒102内形成临时密封。致动主体154两侧的临时密封限定井筒102的隔离部分。为了对井筒的隔离部分进行增产，增产激活设备148点燃增产气体发生器组件126的增产材料容器134中的增产材料，以发生爆燃并产生高压气体，该高压气体破坏或以其他方式消除可消耗外壁144并喷射到隔离的井筒部分中，这在本文中被称为压力事件。被致动的密封元件122将压力事件产生的高压流体和/或能量集中到地层106的目标部分中。在此使用的术语“集中”指密封元件122将压力事件的绝大部分或基本上全部流体和/或能量导引到目标部分中，并对井筒102的内表面形成一处或多处流体密封，或者不形成流体密封。

如上所述，密封元件122被调节为面向油井增产装置120的中心成锐角β，以与井筒102的套管或壁接合。这种构造提供的优点是，井筒102的套管或壁抵抗施加于其上的高压支撑密封元件122。

在本公开的一些实施例中，由致动压力事件引起的密封元件122的致动和由气体发生器组件126产生的压力事件大约同时发生，或者致动压力事件较早发生。在密封元件122处于迎角β(即，到达活动状态)后，致动气体被释放。在对隔离的井筒部分进行增产期间，增产气体发生器组件126产生的压力事件有助于使密封元件122到达迎角β并保持在该迎角β。

在增产后，随着高压气体被释放到地层106中，隔离的井筒部分中的压力降低。然后，偏压组件190迫使密封元件122回到休止角α，从而使油井增产装置120处于休眠状态。

如上所述，可使用一个或多个油井增产装置120进行油井增产。控制器用于控制每个油井增产装置120中的增产材料和致动推进剂的点燃。在一些实施例中，可使用流体压力触发控制器按所需的时序模式依次激活每个油井增产装置120。开关压力(在下文中更详细地说明)是通过从地面通过管线108向下泵送流体提供的。在这些实施例中，开关压力可以是任何适当的压力，例如在环境压力与大约10000psi之间。在一些替代实施例中，开关压力在环境压力与大约20000psi之间。在一些其他实施例中，开关压力在环境压力与大约25000psi之间。在一些其他实施例中，开关压力在环境压力与大约50000psi之间。

图20示出了本公开的一个实施例，其中管线108具有三个油井增产装置120A、120B和120C，并且其井下端位于井筒102的所需位置，以进行油井增产。如图所示，每个油井增产装置120A、120B、120C中的增产和致动激活设备148和214(在图20中标记为“P”和“S”)串联地电连接以形成点火电路232A、232B、232C(统称为232)。三个点火电路232通过电线并联地电连接至压力致动的控制器234。在此示例中，控制器234在管线108中位于井下。

如图21所示，控制器234包括电源236(例如电池)和并联地连接至电源236的三个压力致动的常开单极单掷(SPST)开关238A、238B和238C。每个开关238A、238B、238C可在从管线108施加至开关238A、238B和238C的预定阈值开关压力(对于开关238A、238B和238C，表示为P1、P2和P3)下闭合，以激活一个或多个油井增产装置120A、120B或120C。由于油井增产装置120中的接线可能在油井增产期间被破坏，因此优选沿着从井下到井上的方向(即，从120A到120C)激活油井增产装置120，因而P3>P2>P1。例如，P1＝3000psi，P2＝5000psi，P3＝7000psi。

在作业时，通过管线108将流体导引至控制器234。流体向控制器234施加压力P(P2>P>P1)，使开关238A闭合。油井增产装置120A的致动激活设备214和增产激活设备148被激活。结果，油井增产装置120A的密封元件122被致动，以形成井筒102的隔离部分。基本上同时或稍后，增产气体发生器组件126产生由流入井筒102的隔离部分内的地层106的高压气流限定的压力事件。

然后，流体压力P增大到P3>P>P2，以使开关238B闭合。结果，油井增产装置120B的密封元件122被致动并密封井筒部分，并且其增产气体发生器组件126产生高压气体，以对密封的井筒部分周围的地层106进行增产。

然后，流体压力P进一步增大到P>P3，以使开关238C闭合。结果，油井增产装置120C的密封元件122被致动并密封井筒部分，并且其增产气体发生器组件126产生高压气体，以对密封的井筒部分周围的地层106进行增产。

在本公开的一些实施例中，接线和点火电路通常在油井增产装置120激活之后被破坏，但是仍然存在可能发生短路的风险，这可能导致对控制器234和/或其他油井增产装置120的损害。在一些替代实施例中，可通过在控制器234中增加延时熔断器来防止这种风险，该延时熔断器会在预定时间之后断开电路。

图22A示出了控制器234的一个示例，该控制器包括电源236和用于控制n个油井增产装置120的n个压力致动开关(n是大于1的整数)。n个油井增产装置120的点火电路232在此表示为第1、第2、……、第n个点火电路，并且n个开关在此表示为第0、第1、第2、……、第(n-1)个开关。在此，第0个开关是常开双向开关，而其他开关是三向开关。第0个开关的第一端子连接至电源236，其第二端子连接至第1开关的公共端子。对于第k个开关(k为整数且0<k<n-1)，其公共端子连接至第(k-1)个开关的常开端子，其常闭端子连接至第k个点火电路，其常开端子连接至第k个开关的公共端子。对于第(n-1)个开关，其公共端子连接至第(n-2)个开关的常开端子，其常闭端子连接至第(n-1)个点火电路，其常开端子连接至第n个点火电路。

在图22A中，控制器234被示为包括三个开关238A至238C，以控制三个油井增产装置120。开关238A是常开双向开关，开关238B和238C是三向开关。开关238A至238C的激活压力为P1<P2<P3。

开关238A连接至电源236和开关238B的公共端子。开关238B和238C的常闭端子连接至点火单元232A和232B。开关238B的常开端子连接至开关238C的公共端子。开关238C的常开端子连接至点火单元232C。

如图22B所示，首先向开关238A至238C施加流体压力P(P2>P>P1)。开关238A闭合，点火单元232A被激活，以进行油井增产。然后，增大压力P，使得P3>P>P2。开关238B闭合，点火单元232B被激活，以进行油井增产。接下来，进一步增大压力P，使得P>P3。开关238C闭合，点火单元232C被激活，以进行油井增产。

在图23所示的一些实施例中，控制器234包括用于激活点火电路232A至232C的处理器252。压力传感器254(例如压力变换器)联接至处理器252，以将流体压力P转换为电信号，以输入到处理器252。电源236向处理器252和点火电路232A至232C供电。控制器234可使用不同的压力来激活不同的点火回路232A至232C，激活顺序为如上所述的从井下到井上的顺序。

在本公开的一些实施例中，控制器234位于地面，并通过管线108接线至油井增产装置120。操作人员可手动操作控制器234进行油井增产。或者，控制器234可编程为对装置120进行自动控制。

在如图24至图25C所示的一些替代实施例中，可使用关节连接器262将装置124柔性地联接至管线108。

图24示出了关节连接器262的一个非限制性实施例，该关节连接器包括中央部分264和两个联接部分266，这两个联接部分266通过各自的万向接头(U形接头)268可旋转地联接至中央部分264的两端。每个U形接头268可根据需要沿二维或三维方向旋转。

两个联接部分266中的一个用于将关节连接器262联接至管线108，另一个用于将关节连接器262联接至油井增产装置，例如上述的油井增产装置120。

当两个关节联接器262彼此不对准时，关节连接器262提供了相对于管线108定位油井增产装置120的灵活性。如图25A所示，管线108可在井筒102中直接沿着其中心向下行进。在这种情况下，关节连接器262的两个联接部分266彼此对准，并且关节连接器262保持笔直状态。

在某些情况下，如图25B所示，管线108可直线行进，但是相对于井筒102的轴线是偏心的。在这种情况下，所示的关节连接器262是铰接的，以补偿油井增产装置120与管线108之间的轴向错位。

在某些情况下，如图25C所示，管线108可能发生一些弯曲或翘曲。关节连接器262铰接以补偿油井增产装置120与管线108之间的轴向和角度错位。

在本公开的一些实施例中，关节连接器262是与装置120分离的独立部件。在一些替代实施例中，关节连接器262可以是装置120的一个集成部分。在这些实施例中，油井增产装置120通过第一U形接头268可旋转地联接至中央部分264。中央部分264通过第二U形接头268可旋转地连接至联接部分266。因此，油井增产装置120可通过联接部分266联接至管线108或其他组件。在本公开的一些实施例中，关节连接器262可以是管线108的一个集成部分。

本领域技术人员应理解，关节连接器262不限于铰接连接，也可使用能补偿管线108相对于油井增产装置120的错位位置的其他类型的柔性连接。

图26示出了密封组件128A的一个替代实施例，其中致动主体154容纳在密封组件128A的中心孔内。可选地，致动主体154由固定螺母129或其他类似结构保持在中心孔内。在此实施例中，通过气体通道212A在致动推进剂室208与活塞壳体202之间实现流体连通。

在本公开的一些实施例中，首先使密封元件122致动以形成井筒102的隔离部分，然后使增产气体发生器组件126致动以产生用于对井筒102的隔离部分进行增产的高压气体。

在本公开的一些实施例中，在致动气体使密封元件122致动到其活动状态之后，不维持致动气体。在一些替代实施例中，在增产期间维持活塞204之后的致动气体，以将密封元件122保持在活动状态，然后释放由致动气体产生的压力，以使油井增产装置120转至休眠状态。

在本公开的一些实施例中，使用由致动主体154产生的致动气体使密封元件122致动。在一些替代实施例中，可通过其他类型的致动机构使密封元件122致动，包括但不限于：液压型机构、气动压力型机构、机械机构(例如弹簧)、电机、电磁线圈、或者它们的组合。

在本公开的一些实施例中，使用弹簧192将密封元件122偏压至休眠状态。在一些替代实施例中，可通过多个弹簧或者通过其他机构将密封元件122偏压至休眠状态，所述其他机构例如为气体发生器、液压型机构、气压型机构、机械机构(例如弹簧)、电机、电磁线圈、或者它们的组合。

在本公开的一些实施例中，使用包括电致动激活设备214和电增产激活设备148的电点火电路232进行油井增产。在另一些实施例中，可使用其他装置(例如压力激活的点火头、炸药引爆绳等)点燃推进剂以使密封元件122和增产材料146致动，以对从地层106向井筒102中生产烃类的作业进行增产。

在本公开的一些实施例中，增产气体发生器组件126可包括置于一个增产材料容器134内的两个或多个拉杆132。在本公开的一些其他实施例中，增产气体发生器组件126可包括多个拉杆132和一个或多个增产材料容器134。

在本公开的一些实施例中，增产气体发生器组件126可包括单种增产材料149，或者包括两种或多种材料的混合物。类似地，致动主体154可包括单种推进剂或者两种或多种推进剂的混合物。此外，增产气体发生器组件126和致动主体154可使用相同的推进剂材料和相同的推进剂混合物或者不同的推进剂和/或不同的推进剂混合物。

在本公开的一些实施例中，控制器234包括电源236。在一些替代实施例中，控制器234不包括任何电源。相反，使用位于控制器234外部的电源236。

下面的表1列出了在本公开的一些实施例中用于13.5磅-4.5英寸井筒套管(内径尺寸(ID)为3.92英寸)的上述油井增产装置120的尺寸的一些非限制性示例：

表1：尺寸

不受任何特定理论的束缚，本文说明的油井增产装置120避免了使用大量水进行压裂。此外，通过使用油井增产装置120，高压气体的快速产生导致沿着裂缝平面的局部解聚和剪切位错。因此，不需要支撑剂或砂子。

不受任何特定理论的束缚，本文说明的油井增产装置120通过更长的爆燃时间(例如大约10毫秒至大约20秒)产生更长的裂缝，并且适合于在水平井筒中压裂。本文说明的油井增产装置120基本上隔离了井筒的一部分，以将压力事件的能量集中到地层的目标部分中。此外，多个装置120可级联在单条管线108上，从而一次对多个井筒区域进行增产。

下面的表2示出了现有技术的水力压裂、现有技术的基于推进剂的压裂与油井增产装置120之间的对比。

表2：增产过程的对比

Claims (22)

1.一种油井增产装置，包括：

拉杆，具有第一端和第二端；

增产材料容器，其被配置为固定在所述拉杆周围；和

密封组件，其能够联接至所述拉杆的所述第一端，所述密封组件能够在休眠状态与活动状态之间致动，以用于隔离井筒的一部分。

2.根据权利要求1所述的油井增产装置，还包括能够联接至所述拉杆的所述第二端的第二密封组件。

3.根据权利要求1或2所述的油井增产装置，还包括用于将所述第一密封组件和所述第二密封组件分别联接至所述拉杆的所述第一端和所述第二端的紧固件。

4.根据权利要求1或2所述的油井增产装置，其中所述增产材料容器包括一个或多个套管，所述套管被配置为在其中接纳增产材料。

5.根据权利要求4所述的油井增产装置，其中所述增产材料是可爆燃得，以用于产生压力事件。

6.根据权利要求5所述的油井增产装置，其中所述拉杆被配置为承受由所述压力事件产生的拉伸载荷。

7.根据权利要求5所述的油井增产装置，其中当所述密封组件处于活动状态时，所述压力事件被从所述油井增产装置沿径向向外的方向引导。

8.根据权利要求5所述的油井增产装置，其中所述压力事件具有约1万磅每平方英寸(psi)至5万psi的峰值压力。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的油井增产装置，还包括至少一个增产激活设备，以用于点燃所述增产材料。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的油井增产装置，其中所述第一密封组件和所述第二密封组件之中的每一个包括：

心轴；

多个密封元件，定位在所述心轴周围，所述多个密封元件中的每一个密封元件包括配置为与井筒的内壁或其中的井管接合的外边缘；和

致动主体，用于将所述多个密封元件从所述休眠状态致动到所述活动状态。

11.根据权利要求10所述的油井增产装置，其中所述致动主体是以下中的至少一种：致动气体发生器、液压驱动机构、气压驱动机构、诸如弹簧的机械机构、电机、电磁线圈、以及它们的组合。

12.根据权利要求10所述的油井增产装置，其中所述多个密封元件相对于所述油井增产装置的纵向以锐角围绕所述心轴叠置。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的油井增产装置，其中所述多个密封元件能够在所述休眠状态下的休止角α与所述活动状态下的大于α的迎角β之间摆动。

14.根据权利要求13所述的油井增产装置，其中所述休止角α为约0°至约75°。

15.根据权利要求13或14所述的油井增产装置，其中所述迎角β为约10°至约80°。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的油井增产装置，还包括能够联接至所述油井增产装置的一端的关节，并且所述关节包括：

中央部分，经由第一接头可旋转地联接至油井增产装置；和

联接部分，经由第二接头可旋转地联接至所述中央部分。

17.一种用于隔离井筒的一部分的密封组件，所述密封组件包括：

多个密封元件，能够在休眠状态与活动状态之间致动；和

致动气体发生器，用于产生气流以将所述多个密封元件从所述休眠状态致动到所述活动状态。

18.一种用于将第一井下装置联接至第二井下装置的关节连接器，所述关节连接器包括：

中央部分，可旋转地联接至第一接头和第二接头；

第一联接部分，经由所述第一接头可旋转地联接至所述中央部分；和

第二联接部分，经由所述第二接头可旋转地联接至所述中央部分。

19.一种用于将第一井下装置联接至来自地面的管线的关节连接器，包括：

中央部分，可旋转地联接至第一接头和第二接头；

第一联接部分，经由所述第一接头可旋转地联接至所述中央部分；和

第二联接部分，经由所述第二接头可旋转地联接至所述中央部分。

20.一种油井增产系统，包括：

n个油井增产装置，用于隔离井筒的n个井下部分并对多个隔离的井筒部分进行增产，其中n是大于或等于1的整数，并且每个油井增产装置包括激活电路以用于激活其的至少一个油井增产过程；和

控制器，用于控制所述多个油井增产装置的所述激活电路，所述激活电路按从井下到井上的顺序编号为第一、第二、……、第n个激活电路；

其中所述控制器包括n个压力致动开关，第0个开关是常开双向开关，而第1至第(n-1)个开关是三向开关，

其中第0个开关的第一端子连接至电源，并且其第二端子连接至第1个开关的公共端子，

其中对于第k个开关(k是整数且0<k<n-1)，其公共端子连接至第(k-1)个开关的常开端子，其常闭端子连接至第k个激活电路，并且其常开端子连接至第k个开关的公共端子，并且

其中对于第(n-1)个开关，其公共端子连接至第(n-2)个开关的常开端子，其常闭端子连接至第(n-1)个激活电路，并且其常开端子连接至第n个激活电路。

21.根据权利要求20所述的油井增产系统，其中所述第m个开关能够在阈值开关压力P_m下通断，其中m是整数且0≤m≤n-1；并且其中P_0<P_1<…<P_(n-1)。

22.一种用于对地层的目标部分进行增产的方法，包括以下步骤：

a.通过将一个或多个密封元件致动到活动状态来隔离所述目标部分附近的井筒的一部分；

b.使增产材料爆燃以用于产生压力事件；和

c.将所述压力事件的能量的至少一部分集中到所述目标部分中。

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