CN111954748A - 点火头组件、具有点火头组件的完井装置和使用方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种与射孔枪一起使用的点火头组件。所述点火头组件包括管状壳体、第一活塞和第二活塞，以及布置在所述管状壳体的内腔内并位于所述第一活塞与所述第二活塞之间的可压缩构件。根据一个方面，该组件包括与形成在所述管状壳体中的锁定构件接合的多个上锁定臂和多个下锁定臂。所述点火头组件还包括与所述第二活塞呈三明治式构造布置在管状主体的第二开口处的上剪切垫圈和下剪切垫圈。所述点火头组件内的压力可被调节，以启动所述点火头组件，触发爆炸反应或不触发爆炸反应。

Description

点火头组件、具有点火头组件的完井装置和使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月31日提交的美国临时专利申请No.62/624,174的权益，其整体通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及点火头组件。更具体地，描述了一种具有安全组件并且配置成用于完井装置的点火头组件。

背景技术

在从地表下向深处延伸的地下井筒提取碳氢化合物，如化石燃料(如石油)和天然气时，使用复杂机械和爆炸装置。通常的做法是通过使用射孔枪对承载地下地层的流体进行射孔来促进生产流体的流动，射孔枪被下放到井筒中的地层深度，然后引爆以在射孔枪周围的地层中形成射孔。点火头组件耦接到枪并被起爆/激活以点火该枪。虽然点火头组件可在枪被下放到井筒中之前耦接到射孔枪，但出于安全和其它原因，通常优选地仅在枪定位在井筒中之后才允许点火头的引爆。一种引爆器被设计用于在引爆器看到/接收到来自地面的适当指令之后点燃射孔枪中的导火索。

射孔枪中用于引爆炸药的点火头在操作中的可靠性和安全性是非常重要的。已经有许多事故导致严重伤害或死亡，其中在工作人员正在装配工具以准备将其送入井筒中时，诸如射孔枪的爆炸钻井工具在井筒的表面处过早地点火。

操作人员或工作人员可以有无数理由决定不点火已进入井筒的射孔枪。这些理由可以包括使射孔枪进入井筒中的问题(即，入井)、其他完井设备的问题或射孔枪组件或其相关部件的问题。此外，一个潜在的风险是，在执行点火程序之后，可能没有射孔枪实际点火的肯定指示，这可能意味着有活性炸药/聚能射孔弹返回到井筒的表面。当射孔枪被收回到地面时，这可能危及地面上的所有人员和设备。

鉴于安全要求不断提高和上述问题，需要一种促进射孔枪中聚能射孔弹安全引爆的点火头组件。还需要一种在射孔枪中使用的点火头组件，其降低在点火条件下的财产损害和身体伤害的风险，包括死亡。此外，需要一种具有安全特征的点火头组件，其不允许射孔枪点火，除非操作人员选择点火射孔枪的选项。另外，需要一种允许操作人员以防止射孔枪点火的方式中止点火操作的点火头组件。

发明内容

根据一个方面，本发明的实施例可以与点火头组件相关联。所述点火头组件包括管状壳体以及第一活塞和第二活塞。所述管状壳体包括在第一端和第二端之间延伸的内腔。第一活塞靠近所述壳体的第一端，而第二活塞靠近第二端。两个活塞部分地延伸到所述内腔中，并且可在其中滑动地移动。所述点火头组件还包括设置在第一活塞和第二活塞之间的所述内腔内的可压缩构件。多个上锁定臂和多个下锁定臂被配置成与形成在所述管状壳体中的锁定构件接合。所述点火头组件还包括布置在管状主体的第二开口处并且彼此间隔开的上剪切垫圈和下剪切垫圈。这些剪切垫圈以三明治式构造布置在所述第二活塞附近，并且帮助将所述第二活塞固定在位。

根据一个方面，本发明实施例还可与完井装置相关联，该完井装置包括射孔枪和可操作地与射孔枪相关联的点火头组件。所述点火头组件可大致如上文所述构造而成，并且包括管状壳体，所述管状壳体具有第一端、第二端和在第一端与第二端之间延伸的内腔。第一活塞靠近第一端，第二活塞靠近第二端，构造成与第一活塞间隔开。两个活塞可在所述内腔的至少一部分内滑动地移动，在这两个活塞之间设置有可压缩构件。所述可压缩构件具有抵接第一活塞的第一端部和抵接第二活塞的第二端部。所述可压缩构件可在松弛状态、压缩状态和部分压缩状态之间调节。在所述内腔内设置有多个上锁定臂和多个下锁定臂，每个锁定臂被配置成与位于所述内腔中的锁定构件可释放地接合。

其他实施例与在点火条件和非点火条件下使用点火头组件的方法相关。该方法包括将大致如上文所述构造的完井装置下放到井筒中。所述完井装置包括射孔枪和与该射孔枪通信的点火头组件。所述点火头组件包括具有内腔的壳体、第一活塞和与该第一活塞间隔开的第二活塞，在第一活塞与第二活塞之间具有可压缩构件。多个上锁定臂和多个下锁定臂设置在所述内腔中，并且被配置为与设置在所述内腔中的锁定构件可释放地接合。第一活塞和管状壳体限定具有第一压力的上腔室，第二活塞和管状壳体限定具有第二压力的下腔室。使用输送装置将所述完井装置定位在井筒内的期望位置处。所述方法还包括增加所述上腔室的第一压力，直到第一活塞朝向第二活塞向下移动并且上锁定臂固定到上锁定构件。这部分地压缩所述可压缩构件。所述方法还包括调节井筒压力，并分别地调节所述下腔室的第二压力以启动事件。根据一方面，所述事件包括在点火条件下触发爆炸反应或者在非点火条件下取消爆炸反应。

附图说明

将通过参考附图中所示的本发明的具体实施例来提供更具体的描述。应当理解，这些附图仅描述了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，将通过使用附图以附加的具体细节来描述和解释示例性实施例，在附图中：

图1是根据一个实施例的点火头组件的局部截面透视图，其示出了处于松弛状态的可压缩构件；

图2是类似于图1的点火头组件的局部截面透视图(只是滚花锁定环由槽代替)，示出了处于部分压缩状态的可压缩构件，其中多个上锁定臂由锁定构件固定，撞针悬挂在撞击引爆器上方；

图3是图2的点火头组件的局部截面透视图，示出了处于部分压缩状态的可压缩构件，其中多个上锁定臂由锁定构件固定，撞针与撞击引爆器接合；

图4是图3的点火头组件的局部截面透视图，示出了根据一个实施例的处于压缩状态的可压缩构件，其中多个上锁定臂和多个下锁定臂由锁定构件固定；

图5是根据一个实施例的包括电触针和电路板的点火头组件的局部截面透视图；

图6是根据一个实施例的包括点火头组件的完井设备的截面图；

图7是示出根据一个实施例的在点火条件和非点火条件下使用点火头组件的方法的流程图；以及

图8是示出根据一个实施例的在点火条件和非点火条件下使用点火头组件的方法的流程图。

通过下面的详细说明以及附图，实施例的各种特征、方面和优点将变得更加明显，其中在附图及文本中相同的附图标记表示相同的部件。所描述的各种特征不一定按比例绘制，而是绘制成强调与一些实施例相关的特定特征。

本文使用的标题仅用于组织目的，并不意味着限制说明书或权利要求书的范围。为了便于理解，在可能的情况下，使用附图标记来表示图中常见的相同元件。

具体实施方式

现在将详细参考各种实施例。各个示例是以解释的方式提供的，并且不意味着限制并且不构成所有可能实施例的限定。

为了说明实施例的特征，将参考各种附图。图1至图4一般地示出了点火头组件的实施例。如将结合示出的各个实施例讨论的，点火头组件一般地包括管状壳体/主体、第一活塞和第二活塞以及布置在第一活塞与第二活塞之间的可压缩构件。点火头组件还包括多个上锁定臂和多个下锁定臂，每个锁定臂与位于管状壳体内的相应锁定构件接合，以及上剪切垫圈和下剪切垫圈。点火头组件有助于将射孔枪安全地装配和安装到井筒中、安全地引爆射孔枪中的聚能射孔弹以及将射孔枪从井筒安全地收回。

现在参照附图，图1至图4示出点火头组件10的局部截面视图(其中至少一些部件被部分地切除)。点火头组件10包括管状壳体或管状主体20。管状壳体20包括彼此间隔开的第一端22和第二端24。管状壳体20具有在第一端22和第二端24之间延伸的内腔26。根据一个方面，内腔26具有沿着壳体20的长度基本一致的直径。该直径可以被选择成使得内腔26能够接收至少部分地位于其中的多个部件。

点火头组件10包括第一活塞30和第二活塞32。第一活塞30和第二活塞32至少部分地定位在壳体20的内腔26内。如图1至图4中所示，第一活塞30定位在管状壳体20的第一端22附近，并且可在内腔26的至少一部分内滑动地移动。第二活塞32定位成靠近管状壳体20的第二端24，与第一活塞相对，并且类似地可在内腔26的至少一部分内滑动地移动。根据一个方面，第一活塞30和第二活塞32的移动可至少部分地通过井筒压力的变化或通过在活塞30、32上施加力来促进，如将在下面进一步讨论的。

在一个实施例中，并且如图1至图3所示，活塞30、32各自耦接到安装板。第一活塞30可耦接或以其他方式附接到第一安装板25a(图1至图3)，而第二活塞32可耦接或以其他方式附接到第二安装板25b(图1)。例如在图1中所见，第一安装板25a和第二安装板25b可以更小或者其外径小于其所附接的活塞的外径。可替换地，并且例如在图2中所见，第一安装板25a和第二安装板25b中的至少一个的外径可以与它们所耦接的活塞的外径基本相同。

如在图1中最佳地看到的，第一安装板25a位于第一活塞30和可压缩构件40的第一端部42之间，而第二安装板25b位于第二活塞32和可压缩构件40的第二端部44之间。每个安装板25a、25b包括上平坦面和下平坦面(例如，平的)。第一安装板25a的上平坦面耦接到第一活塞30上，而第一安装板25a的下平坦面抵接或接合可压缩构件40。第二安装板25b的上平坦面抵接或接合可压缩构件40，而第二安装板25b的下平坦面耦接或附接到第二活塞32。根据一个方面，第一安装板25a和第二安装板25b可以分别接收多个上锁定臂50和多个下锁定臂52，如下面进一步详细描述的。安装板25a、25b可互换地容纳各种长度的锁定臂50、52，这有助于可压缩构件40在管状壳体20的内腔26内的调节范围。

如上所述，点火头组件包括可压缩构件40。可压缩构件40被示出为布置在管状壳体20的内腔26内的线圈或弹簧。根据一个方面，可压缩构件40包括第一端部42和第二端部44。可压缩构件40的第一端部42抵接第一活塞30，或者，当存在时，抵接第一安装板25a的下平坦面。可压缩构件40的第二端部44抵接第二活塞32，或者当存在时，抵接第二安装板25b的上平坦面。

可压缩构件40可在松弛、部分压缩和完全压缩状态之间进行调节。当第一活塞30和第二活塞32彼此移动靠近时，可压缩构件40的长度被调节。根据一个方面，可压缩构件40可在最大长度Lmax(图1)、最小长度Lmin(图4)、以及最大长度Lmax和最小长度Lmin之间的多个中间长度Lint(图2至图3)之间进行调节。最大长度Lmax对应于可压缩构件40的松弛状态，最小长度Lmin对应于可压缩构件40的最大压缩状态，而中间长度Lint对应于可压缩构件40的多个部分压缩状态。

尽管可压缩构件4在图1至图4中被示出为弹簧/线圈，但是考虑了可压缩构件40可包括或者是压缩气体(未示出)。压缩气体可被隔离在第一活塞30和第二活塞32之间的壳体20的内腔26内。在该实施例中，当第一活塞30移动靠近第二活塞32或者第二活塞32移动靠近第一活塞30时，压缩气体的颗粒更加移动靠近一起并且被进一步压缩(即，颗粒更靠近定位)。随着压缩气体的体积减小，第一活塞30和第二活塞32之间的内腔26内的压力也增大。可替代地，当第一活塞30远离第二活塞32移动时，或者，第二活塞32远离第一活塞30移动时，压缩气体的颗粒彼此远离移动并且膨胀以填充第一活塞30和第二活塞32之间的内腔26的空间，这增加了压缩气体的体积并减小了压缩气体的压力。

壳体20的内腔26可以包括一个或多个腔室。每个腔室可包括彼此隔离的压力。根据一个方面，第一活塞30和管状壳体20至少部分地限定了内腔26的上腔室21。上腔室21在第一活塞30上方(当点火头组件10如图1中所示地构造时)，并且包括第一压力P1。第二活塞32和管状壳体20至少部分地限定了内腔26的下腔室23。下腔室23在第二活塞32下方(当点火头组件10如图1中所示地构造时)，并且包括第二压力P2。内腔26的布置有可压缩构件40的区域是中间腔室28。中间腔室28位于上腔室21和下腔室23之间，并且包括第三压力P3。中间腔室28的容积直接对应于第一活塞30和第二活塞32的移动。当第一活塞30朝向第二活塞32移动时，中间腔室的容积减小，并且如上所述，压缩可压缩构件40(弹簧或压缩气体)。根据一个方面，当可压缩构件40是弹簧时，第三压力P3可以是大气压。

第一压力P1和第二压力P2可通过各种方法进行调节。根据一个方面，通过将流体添加到壳体20的上腔室21或从上腔室21移除流体来调节第一压力P1。或者，也可以使用压缩气体使上腔室21内的压力上升。根据一个方面，流体或压缩气体可通过被添加到其上附接有点火头组件10的输送装置105或从该输送装置105移除(图3至图4)而添加到上腔室21或从上腔室21移除。根据一个方面，通过第一压力P1的增大或减小来调节第一活塞30的位置相对于第二活塞32的位置。第一压力P1的增大使第一活塞30向第二活塞32移动，并将可压缩构件40压缩至部分压缩状态。根据一个方面，点火头组件10的操作人员手动地调节第一活塞30在内腔26中的位置。操作人员可以通过增加第一压力P1进行该调节，这将向第一活塞30施加力以使活塞30向第二活塞32移动，这至少部分地压缩或完全压缩可压缩构件40。类似地，操作人员可移除或至少部分地减小第一压力P1，以部分地减少施加到第一活塞30的力，以使第一活塞30移动远离第二活塞32，这将可压缩构件40从部分压缩状态调整到松弛状态。

至少一个端口/开口/通风孔58延伸穿过管状壳体20，并且将下腔室23流体连接到管状壳体20外部的井筒。这便于流体(即，液体或气体)从井筒(即，井筒流体和井筒压力P4)传送到下腔室23。根据一个方面，第二压力P2可以通过在井筒中向上或向下移动点火头组件10，或者通过向井筒添加一些井筒流体(或另一种流体或压缩气体)或从井筒移除一些井筒流体来调节。由于端口58便于将井筒流体以及由此井筒压力P4传输到下腔室23(以及从下腔室23移除)，因此井筒压力P4的增大导致第二压力P2的增大。类似地，井筒压力的减小导致第二压力P2的减小。如本领域普通技术人员将理解的，井筒流体可包括氮气、钻井流体、水、任何完井流体或任何其他工业标准中的至少一种。

点火头组件10包括多个密封构件90。根据一个方面，密封构件90是围绕第一活塞30和/或第二活塞32的外周延伸的O形环。至少一个密封构件90围绕第一活塞30的外周定位，使得密封构件90介于第一活塞30和管状壳体20的内腔26之间。至少一个其他密封构件90围绕第二活塞32的外周，位于第二活塞32和管状壳体20的内腔26之间。密封构件90可操作用于将中间腔室28与上腔室21的第一压力P1、下腔室23的第二压力P2和管状壳体20外部的井筒压力P4隔离。密封构件90可用于将每个单独的压力，即，第一压力P1与第三压力P3隔离，并且将第三压力P2与第二压力P2隔离。密封构件90还起到将第一压力P1和第三压力P3与井筒压力P4隔离的作用。

点火头组件10还配备有多个锁定臂。如图1至图4中所示，多个上锁定臂50从第一活塞30延伸，耦接到或以其他方式连接到第一活塞30。类似地，多个下锁定臂52从第二活塞32延伸，耦接至或以其他方式连接至第二活塞32。锁定臂50、52可由用于形成安装板25a、25b和/或上活塞30和下活塞32的相同材料形成。锁定臂50、52可由任何柔性和弹性材料构成。根据一个方面，锁定臂50、52由诸如钢或铜的金属构成。锁定臂50、52可以由弹簧钢或铍铜合金构成。

每个锁定臂50、52包括垂直段53a和从垂直段53a径向延伸的水平段53b。每个上锁定臂50的垂直段53a可直接连接到第一活塞30，或者，当存在时，直接连接至第一安装板25a。垂直段53a可延伸耦接到其上的安装板25a、25b的周缘部分，或者可以连接到第一安装板25a的下平坦面或第二安装板25b的上平坦面。垂直段53a沿着管状壳体20的Y方向延伸，而水平段53b从垂直段53a大致沿着管状外壳20的X方向径向地延伸。

水平段53b可以构造成与管状壳体20的一部分摩擦接合，以帮助将可压缩构件40保持在内腔26内的期望位置处。根据一个方面，锁定臂50、52(即，锁定臂50、52的水平段53b)与从内腔26向内延伸到管状壳体20中的相应锁定构件55接合。当接合时，锁定臂50、52和相应的锁定构件55共同防止可压缩构件40的无意移动。

锁定构件55可包括滚花(knurled)环/滚花锁定环和槽中的至少一个。如图1中所示，在一个实施例中，锁定构件55包括上滚花环57a和下滚花环57b。滚花环57a、57b可以在其表面中包括多个压痕，例如菱形、有角度的或直的图案，这提高了摩擦/提供了增强的抓握表面。上锁定臂50是弹性的，并且被构造成用于接合上滚花环57a，并且下锁定臂52是有弹性的且被构造为用于接合下滚花环57b。上滚花环57a和下滚花环57b有助于促进分别与上锁定臂50和下锁定臂52的接合。这有助于至少暂时地将可压缩构件40保持在中间长度Lint或最小长度Lmin中的一个。

在图2中所示的另一个实施例中，锁定构件55可以包括上槽56a和下槽56b。如上文关于上滚花环57a和下滚花环57b所述，上锁定臂50和下锁定臂52是弹性的并且被构造成与其相应自的槽56a、56b接合。当每个锁定臂50、52与其相应的槽56a、56b接合时，可压缩构件40至少暂时地保持在中间长度Lint和最小长度Lmin中的一个。

点火头组件10包括以间隔开的构造位于第二活塞32下方的撞针70，以及也以间隔开的构造位于撞针70下方的撞击引爆器80。锁定臂50、52和锁定构件55与第一活塞30和第二活塞32以及可压缩构件40相结合，通过调节撞针70和引爆器80之间的距离(例如，通过减小距离)，来帮助促成点火头组件10的选择性激活。根据一个方面，调节该距离，使得撞针70与引爆器80接触，从而触发/激活爆炸反应。爆炸反应可以启动一系列事件，该一系列事件导致装载在射孔枪120中的聚能射孔弹122(例如参见图6)引爆。

为了进一步帮助点火头组件10的选择性启动，可以使用多个固定装置来帮助防止和/或促进可压缩构件40的移动，这可以使撞针70与引爆器80接触以触发爆炸反应，或者将撞针70保持为与引爆器间隔开的构造，以防止爆炸反应。固定装置通常可具有最大强度(即，它们在断裂并释放下活塞32以及返回可压缩构件40之前能够承受的最大力)。固定装置可基于井筒条件和它们的最大强度来选择，并且可包括例如剪切垫圈、剪切环、剪切销、剪切螺钉等。

根据一个实施例，点火头组件10包括上剪切垫圈60和下剪切垫圈62。每个剪切垫圈60、62定位成邻近管状主体20的第二开口24。剪切垫圈60、62可包括中心开口，该中心开口允许剪切垫圈60、62至少部分地固定在第二活塞32的周围边缘。如图1至图2中所示，在一个实施例中，上剪切垫圈60和下剪切垫圈62以彼此间隔开的构造布置，并且布置成以三明治式构造邻近第二活塞32。上剪切垫圈60和下剪切垫圈62被配置成将第二活塞32保持在指定位置，使得撞针70与撞击引爆器80间隔开。上剪切垫圈60和下剪切垫圈62中的至少一个可配置成在断裂之前承受约500psi至约35,000psi之间的力，或者约500psi至约25,000psi之间的力。根据一个方面，当施加在下剪切垫圈62上的力大于下剪切垫圈62被设计为承受的最大力时，下剪切垫圈62断裂，这使撞针70向引爆器80移动。当施加在上剪切垫圈60上的力大于上剪切垫圈60被设计为承受的最大力时，上剪切垫圈60断裂，这可使第二活塞和下锁定臂向上移动，直到下锁定臂固定在锁定构件55(即，下滚花环57b(图1)或下槽56b(图2至图4)中)。如将在下文中进一步详细描述的，这些向上运动允许撞针70进一步移动远离引爆器80，使得点火组件可从井筒中收回。

根据一个方面，第一压力P1的增大使第一活塞30向第二活塞32移动，这将可压缩构件40调节到部分压缩状态。如图2中所示，这也使上锁定臂50向下朝锁定构件55移动，使得它们能够由此固定，从而也将可压缩构件40保持在其部分压缩状态。尽管图2示出了上锁定臂50固定在上槽56a中，但是可以想到，上锁定臂可以通过上滚花环57a固定在位(图1)。

可以进行井筒压力P4和相应的下腔室23的第二压力P2的调整，以触发爆炸反应或者从井筒收回点火头组件10(即，包括与其连接的射孔枪)。管状壳体20外部的井孔压力P4的减小相应地通过端口58减小下腔室23的第二压力P2，这便于井筒流体传送到下腔室23中。与可压缩构件40的部分压缩状态相结合，第二压力P2的减小使下剪切垫圈62断裂，这允许撞针70向下移动以撞击引爆器80并触发爆炸反应。或者，当可压缩构件40被部分地压缩时，井筒压力P4以及相应地下腔室23的第二压力P2的增大使上剪切垫圈60断裂。这使第二活塞32以及因此下锁定臂52向上朝下槽56b(或下滚花环57b)移动，进一步压缩可压缩构件40，使得其被调节到其压缩状态。当下锁定臂52处于下槽56b内或与下滚花环57b接合时，撞针70进一步远离引爆器80移动，这使得能够安全地从井筒中收回点火头组件10而不触发爆炸反应。

虽然已经描述了点火头组件10与撞针70和与撞针70间隔开并位于撞针70下方的撞击引爆器80一起使用，但可以想到点火头组件10可以与其他部件一起使用。在一个实施例中并且如图5中所示，点火头组件10包括电触针170和电路板180，以便于点火头组件10的启动，而不是上面描述的撞针70和撞击起爆器80。电触针170和电路板180被布置成基本上类似于图1至图4中所示并在上文中描述的撞针70和撞击起爆器80的布置。因此，出于方便而非限制的目的，电触针170和电路板180的各种特征、属性和布置在与结合图1至图4所讨论的撞针70和撞击引爆器80的各种特征、属性和布置类似的情况下，这里不再重复。

如上所述，密封构件90可将每个单独的压力彼此隔离，例如，第一压力P1与第三压力P3隔离，第三压力P3与第二压力P2隔离。根据一个方面，密封构件90还可在端口58下方的区域处围绕电触针170的边缘延伸。密封构件90可防止井筒流体或第二压力P2与电路板180和/或其相关部件相互作用或潜在地影响电路板180及其相关部件。

如图5中所示，在一个实施例中，电触针170与电路板180间隔开，并且通过固定元件172至少暂时地保持在该位置。固定元件172具有最大强度(即，它们在断裂之前能够承受的最大的力)。根据一个方面，固定元件172包括剪切销和剪切螺钉中的一个。固定元件172可以是构造为相对薄的材料板的剪切环，该材料板由相对软但仍有刚性的材料构成。剪切环包括中心开口，该中心开口允许剪切环围绕电触针170的边缘定位。根据一个方面，剪切环包括形成在其主体中的多个间隙/缝隙，这允许剪切环在特定压差断裂或承受选定的力。选定的固定元件172，例如所述剪切环，可以基于井筒条件及其最大强度来选择。在一个实施例中，固定元件172具有指定强度，该指定强度允许其在指定值可预测地断裂。例如，固定元件172可被配置成在其指定值断裂之前承受约500psi至约35,000psi之间的力，例如，约500psi至约25,000psi之间的力。

根据一个方面，当施加在下剪切垫圈62上的力大于剪切垫圈62所承受的最大力时(即约500psi至约35,000psi之间的力，或者约500psi至约25,000psi间的力)，电触针170从其固定位置释放。施加在下剪切垫圈62上的力可使下剪切垫圈62断裂，使得第二活塞32向下移动并接触电触针170，以撞击并破坏/剪切固定元件172。一旦固定元件172断裂，电触针170就从其位置释放并且向下朝电路板180移动。电触针710向电路板180施加向下的力(即，撞击或接合)以触发爆炸反应或开始触发爆炸反应的时间倒计时序列。

根据一个方面，多个电触点182设置在电路板180的表面上。触点182可各具有延伸穿过其中的开口，其中该开口被配置成接收电触针170的一部分，使得电触针170与触点182接合，并因此与电路板180接合。

电路板180可通信地连接到雷管(未示出)，雷管直接触发爆炸反应。雷管可以是RF安全电子雷管、电阻化/电雷管、或使用火具、EFI、EBW、半导体桥和/或点火器的雷管。根据一个方面，电阻化/电雷管是50欧姆安全雷管。当电触针170接合电路板180时，电触针170与电路板180上的电触点182接合，以触发爆炸反应或开始时间倒计时序列，以向雷管发送触发爆炸性反应的电信号。时间倒计时序列指示到电信号被发送到雷管为止还剩多少时间。根据一个方面，电信号可以是被发送到雷管以触发爆炸反应的点火序列。

根据一个方面，下活塞32可以进一步远离电触针170移动，从而防止电触针170接触电路板180，这抑制/消除触发爆炸反应的点火顺序。如上文关于撞针70和撞击引爆器80所述，当施加在上剪切垫圈60上的力大于上剪切垫圈60能够承受的力时，上剪切垫圈60断裂。这导致下锁定臂50向上移动，直到它们固定在下锁定构件55中。然后，下活塞32向上移动，进一步远离电触针170，从而不触发爆炸反应。

其他实施例可与完井装置100相关联。如图6所示，完井装置100包括具有多个聚能射孔弹122的射孔枪120。射孔枪120可以是暴露的射孔枪系统或封闭在管件或管中的射孔组件。如果射孔枪120是暴露的系统，则聚能射孔弹122被单独地封装或密封以防止直接暴露于来自井筒环境的流体和/或压力。在任何情况下，当射孔枪120被点火并且聚能射孔弹122引爆时，形成爆炸射流，该爆炸射流在井筒中对周围地层进行穿孔，以从中提取流体(例如油、燃体等)。

完井装置100包括可与射孔枪120相关联操作的击点火头组件10’。点火头组件10’基本上类似于图1至图4中所示并在上文中描述的点火头组件10。因此，为了方便而非限制的目的，结合图1至图4讨论的点火头组件10的各种特征、属性、性质和功能这里不再重复。

如上所述，点火头组件10’包括多个上锁定臂50和多个下锁定臂52，用于与锁定构件55(即，分别为上锁定构件55a或下锁定构件55b，如图1至图2中所示)可释放地接合。当上锁定臂50固定在上锁定构件55a中时，可压缩构件40处于部分压缩状态。这通过增加上腔室21的第一压力P1来促进，这使第一活塞30向下朝第二活塞32移动。在该构造中，点火头组件10’可被停用以促进射孔枪120从井筒安全收回，而不触发爆炸反应或被激活以触发爆炸反应。

为了从井筒中安全地收回完井装置100而不触发爆炸反应，必须增大第二压力P2(位于点火头组件10’的下腔室23中)，直到其产生的力超过上剪切垫圈60的最大强度。这是通过使完井装置100(包括点火头组件10’)在井筒中向下移动或通过向井筒添加流体或压缩气体来增大井筒压力P4实现的。与可压缩构件40的部分压缩状态相结合，当由增大的第二压力P2产生的力克服上剪切垫圈60的最大强度和由部分压缩构件产生的力时，上剪切垫圈60断裂。这促进第二活塞和下锁定臂52向上移动，直到它们被下锁定构件55b固定。例如在图4中所见，撞针70也进一步远离引爆器80移动。在该构造中，完井装置100可安全地从井筒收回而不触发爆炸反应。

或者，当射孔枪120在井筒中时，为了触发爆炸反应，必须减小第二压力P2，直到由可压缩构件40产生的压缩力超过下剪切垫圈62的最大强度。当可压缩构件40的压缩力超过下剪切垫圈62的最大强度时，下剪切垫圈62断裂，这将第二活塞32从其固定位置释放。可压缩构件40的压缩力朝向引爆器80向下驱动撞针70。撞针70撞击引爆器80并触发爆炸反应。爆炸反应包括射孔枪120的聚能射孔弹122的引爆，这在地下地层中产生穿孔。

本公开的实施例进一步涉及在点火条件和非点火条件下使用点火头组件的方法200。点火头组件与射孔枪通信。根据一个方面，一种完井装置包括点火头组件和射孔枪。所述射孔枪和点火头组件基本类似于图1至图6中所示并如上文所述的射孔枪和点火头组件。因此，为了方便而非限制的目的，结合图1至图6讨论的射孔枪和点火头组件的各种特征、属性、性质和功能这里不再重复。

如图7和图8中所示，方法200包括使用传送装置将包括射孔枪组件和点火头组件的完井装置下放210到井筒中。将完井装置定位220在井筒内的期望位置处。增大230上腔室的第一压力(或向其施加力)，直到第一活塞向下朝向第二活塞移动，以将上锁定臂固定在上锁定构件内或由其固定。在该构造中，可压缩构件被部分地压缩。通过可压缩构件处于其部分压缩状态，井筒压力以及由此下腔室的第二压力可被调节240以开始事件。

可以通过使完井装置在井筒中向下或向上移动来调节井筒压力。当完井装置在井筒中向下移动时，第二压力增大，这可进一步压缩可压缩构件以使撞针移动远离引爆器。或者，使完井装置在井筒中向上移动可减小第二压力，这可导致由可压缩构件产生的压缩力足够强以使下剪切垫圈断裂。

根据一个方面，向井筒添加流体(即液体或气体)或从井筒移除至少一些流体也可用于调节井筒压力。这种流体可包括氮气、钻井流体、水和任何完井流体中的至少一种。添加这样的流体可增大第二压力，并使上剪切垫圈断裂，使得可压缩构件可被调节到压缩状态。或者，移除这种流体可减小第二压力，并使下剪切垫圈断裂，使得可压缩构件从其固定位置释放并膨胀。如上文所述，可压缩构件的膨胀或其从压缩/部分压缩状态到松弛状态的调节将撞针推向引爆器以触发爆炸反应。

根据一个方面，由调节步骤240引发的事件包括在点火条件下触发爆炸反应，以及在非点火条件取消爆炸反应。

图7示出了在点火条件下使用点火头组件的方法200，而图8示出了在非点火条件下使用点火头组件的方法200。在点火条件下，减小242井筒压力，直到将第二活塞保持在位的下剪切垫圈断裂。一旦下剪切垫圈已经断裂，可压缩构件就不再被下活塞固定，并且以将撞针推到撞击引爆器中的方式膨胀以触发爆炸反应(图3)。在非点火条件下，增大244井筒压力，直到将第二活塞保持在位的上剪切垫圈断裂。一旦上剪切垫圈已经断裂，可压缩构件就被第二压力推向第一活塞，直到下锁定臂被固定在下锁定构件中。这也使撞针进一步远离撞击引爆器移动，并将可压缩构件保持在固定位置，使得完井装置可从井筒收回而不触发爆炸反应(图4)。

在各种实施例、配置和方面中，本公开包括如本文中所描绘和描述的实质上开发出的部件、方法、过程、系统和/或设备，包括各种实施例、子组合及其子集。在理解本公开之后，本领域技术人员将理解如何制造和使用本公开。在各种实施例、配置和方面中，本公开包括在缺少本文中或其各种实施例、配置或方面中未描绘和/或描述的项目的情况下，包括在缺少可能已经在先前装置或过程中使用的、例如用于提高性能、实现容易性和/或降低实现成本的这样的项目的情况下，提供装置和过程。

短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”是开放式表达，它们在操作中既是合取式又是析取式。例如，“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”中的每一个表达表示单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A、B和C一起。

在本说明书和所附的权利要求书中，将参考具有以下含义的多个术语。术语“一”和“该”指的是所述实体中的一个或多个，因此除非上下文中另有明确规定，否则包括复数个指示物。因此，术语“一”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。此外，对“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一实施方式”等的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的其他实施方式的存在。如在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与之相关的基本功能的改变。因此，由诸如“约”之类的术语修饰的值不限于所指定的精确值。在某些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。诸如“第一”、“第二”、“上”、“下”等术语用于将一个要素区别于另一个要素，除非另有说明，否则不意味着指代要素的特定顺序或数量。

如本文所使用的，术语“可以”和“可能是”表示在一组情况下发生的可能性；拥有指定的性质、特征或功能；和/或通过表达与限定的动词相关的能力、容量或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，“可以”和“可能是”的使用表示所修饰的项目对于表示的容量、功能或用法是显然适合的、能够的或适合的，同时考虑到在某些情况下所修饰的项目有时可能不合适、不能够或不适当。例如，在某些情况下可以预期事件或能力，而在其他情况下则该事件或能力不能发生，这种区别被术语“可以”和“可能是”捕捉。

如权利要求书中所使用的，单词“包括”及其语法变体在逻辑上也对着并且包括变化的和不同的程度的短语，例如但不限于，“基本上由...组成”和“由...组成”。必要时提供了范围，并且这些范围包括它们之间的所有子范围。可以预期，本领域的技术人员将由此想到这些范围内的变化，并且，在尚未属于公众的情况下，所附权利要求书应涵盖这些变化。

在本文中使用的术语“确定”、“计算”、“算出”可交换地使用，并且包括任何类型的方法、过程、数学过程或技术。

为了说明和描述的目的，已经给出了本公开的前述讨论。前述内容并非旨在将本公开限制为本文公开的一种或多种形式。例如，在前述的详细描述中，出于简化本公开的目的，在一个或多个实施方式、构造或方面中，将本公开的各种特征组合在一起。本公开的这些实施例、构造或方面的特征可以在以上讨论的那些之外的替代实施例、构造或方面中组合。本公开的方法不应被解释为反映以下意图：本公开需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。而是，如所附权利要求所反映的，所要求保护的特征少于单个前述公开的实施例、构造或方面的所有特征。因此，所附权利要求据此被结合到该详细描述中，其中每个权利要求独立地作为本公开的单独实施例。

科学和技术的进步可能使得由于语言的不精确性而现在没有考虑的等同和替代成为可能；这些变化应被所附权利要求覆盖。本书面描述使用例子来公开包括最佳模式的方法、机器和计算机可读介质，并且还使本领域的任何技术人员能够实践这些，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所包含的方法。其可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他例子。如果这样的其他例子具有与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构要素，则它们要在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种点火头组件，包括：

管状壳体，其具有第一端、第二端和在所述第一端和所述第二端之间延伸的内腔；

第一活塞和第二活塞，它们至少部分地定位在所述内腔内，其中所述第一活塞被定位成靠近所述管状壳体的所述第一端，并且可在所述内腔的至少一部分内滑动地移动，并且所述第二活塞被定位成靠近所述管状壳体的所述第二端，并且可在所述内腔的至少一部分内滑动地移动；

可压缩构件，其布置在所述管状壳体的所述内腔内，所述可压缩部件包括第一端部和第二端部，所述第一端部抵接所述第一活塞，所述第二端部抵接所述第二活塞；

多个上锁定臂和多个下锁定臂，其中每个锁定臂被配置成与定位在所述管状壳体内的相应锁定构件接合；以及

上剪切垫圈和下剪切垫圈，其中所述上剪切垫圈和所述下剪切垫圈被布置成以彼此间隔开的构造与所述管状主体的第二开口相邻。

2.根据权利要求1所述的点火头组件，其中：

所述上锁定臂耦接到所述第一活塞；并且

所述下锁定臂耦接到所述第二活塞。

3.根据权利要求1或2所述的点火头组件，还包括以下之一：

位于所述第二活塞下方的撞针和位于所述撞针下方的撞击引爆器；以及

位于所述第二活塞下方的电触针和位于所述电触针下方的电路板。

4.根据权利要求3所述的点火头组件，其中：

所述第一活塞和所述管状壳体至少部分地限定在所述第一活塞上方的所述内腔的上腔室，所述上腔室具有第一压力；

所述第二活塞和所述管状壳体至少部分地限定在所述第二活塞下方的所述内腔的下腔室，所述下腔室具有第二压力；并且

所述可压缩构件位于布置在所述上腔室和所述下腔室之间的所述内腔的中间腔室中，所述中间腔室具有包括大气压力的第三压力。

5.根据权利要求4所述的点火头组件，还包括以下之一：

将所述下腔室流体地连接到所述管状壳体外部的所述井筒压力的至少一个端口，使得所述第二压力与所述井筒压力相同；以及

将所述上腔室流体地连接到所述管状壳体外部的所述井筒压力的至少一个端口，使得所述第一压力与所述井筒压力相同。

6.根据权利要求4或5所述的点火头组件，其中：

所述第一压力的增大使所述第一活塞和所述上锁定臂向下朝向上槽移动，并将所述可压缩构件压缩至部分压缩状态；并且

所述管状壳体外部的所述井筒压力以及相应地与所述可压缩构件的部分压缩状态相结合的所述下腔室的所述第二压力的减小可操作用于使所述下剪切垫圈断裂，从而允许：

所述撞针向下移动以撞击所述引爆器并触发爆炸反应，或者

所述电触针向下移动以撞击所述电路板，从而触发爆炸反应。

7.根据权利要求4或5所述的点火头组件，其中：

所述第一压力的增大使所述第一活塞和所述上锁定臂向下朝向上槽移动，并将所述可压缩构件压缩至部分压缩状态；并且

所述井筒压力以及相应地所述下腔室的所述第二压力的增大可操作用于使所述上剪切垫圈断裂，使所述第二活塞和所述下锁定臂向上朝向下槽移动，并且压缩所述可压缩构件，直到所述下锁定臂接合在下槽中，使得可以从所述井筒收回所述点火头组件而不触发爆炸反应。

8.根据权利要求6或7所述的点火头组件，其中所述第二压力通过以下至少一个来调节：

使所述点火头组件在所述井筒中向上或向下移动；以及

向所述井筒添加流体或从所述井筒移除至少一些流体，其中所述流体包括氮气、钻井流体、水和完井流体中的至少一种。

9.一种完井装置，包括：

射孔枪；以及

点火头组件，其包括：

管状壳体，其具有第一端、第二端、内壁、由所述内壁界定并且在所述第一端与所述第二端之间延伸的内腔，以及位于所述内腔中的多个锁定构件；

第一活塞和第二活塞，其中所述第一活塞邻近所述管状壳体的所述第一端，并且所述第二活塞邻近所述管状壳体的所述第二端，并且所述第一活塞和所述第二活塞中的每一个均可滑动地延伸到所述内腔内；

可压缩构件，其布置在所述管状壳体的所述内腔内，所述可压缩构件具有抵接所述第一活塞的第一端部和抵接所述第二活塞的第二端部；以及

多个上锁定臂和多个下锁定臂，其中每个锁定臂被配置为与所述锁定构件中的一个接合。

10.根据权利要求9所述的完井装置，其中：

所述第一活塞和所述管状壳体至少部分地限定位于所述第一活塞上方的所述内腔的上腔室，所述上腔室具有第一压力；

所述第二活塞和所述管状壳体至少部分地限定位于所述第二活塞下方的所述内腔的下腔室，所述下腔室具有第二压力；

所述可压缩构件位于布置在所述上腔室和所述下腔室之间的所述内腔的中间腔室中，所述中间腔室具有包括大气压力的第三压力；并且

所述点火头组件包括位于所述第一活塞和所述管状壳体的所述内腔之间的至少一个密封构件，以及位于所述第二活塞和所述管状壳体的所述内腔之间的至少一个另外的密封元件，其中所述密封构件将所述第三压力与所述第一压力、所述第二压力和所述管状壳体外部的井筒压力隔离。

11.根据权利要求10所述的完井装置，还包括：

至少一个端口，其将所述下腔室流体地连接到所述管状壳体外部的所述井筒压力，使得所述第二压力与所述井筒压力相同。

12.根据权利要求10或11所述的完井装置，还包括以下之一：

位于所述第二活塞下方的撞针和以间隔开的构造位于所述撞针下方的撞击引爆器，其中所述撞针用于向引爆器施加向下的力，以触发爆炸反应；以及

位于所述第二活塞下方的电触针和以间隔开的构造位于所述电触针下方的电路板，其中所述电触针用于接触所述电路板，以触发所述爆炸反应。

13.根据权利要求12所述的完井装置，其中：

所述上腔室的所述第一压力的增大可操作用于使所述第一活塞向下朝向所述第二活塞移动，并使所述上锁定臂向下移动到所述上锁定构件，使得所述上锁定臂被固定到所述上锁定构件并且所述可压缩构件处于部分压缩状态；并且

所述管状壳体外部的井筒压力以及相应地所述下腔室的第二压力的减小可操作用于使所述下剪切垫圈断裂，其中使所述下剪切垫圈断裂允许所述撞针向下移动，以撞击所述引爆器并触发所述爆炸反应，或者允许所述电触针向下移动，以接触所述电路板并触发所述爆炸反应。

14.根据权利要求12或13所述的完井装置，其中：

所述第一压力的增大可操作用于使所述第一活塞和所述上锁定臂向下朝向上槽移动，并将所述可压缩构件压缩至部分压缩状态；并且

所述井筒压力以及相对应地与所述可压缩构件的部分压缩状态相结合的所述下腔室的所述第二压力的增大，使所述上剪切垫圈断裂，并且可操作用于使所述第二活塞和所述下锁定臂向上朝向下槽移动，并且压缩所述可压缩构件直到所述下锁定臂接合在下槽中，使得可以从所述井筒安全地收回所述完井装置而不触发所述爆炸反应。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的完井装置，还包括：

输送装置，其包括生产管、钻管和盘管中的一种。

16.根据权利要求10所述的完井装置，其中所述第一压力和所述第二压力通过以下至少之一来调节：

使所述完井装置在井筒中向下或向上移动；以及

向所述井筒添加流体或从所述井筒移除流体。

17.一种在点火条件和非点火条件下使用点火头组件的方法，所述方法包括：

将完井装置下放到井筒中；

将所述完井装置定位在所述井筒内的期望位置处，其中所述完井装置包括传送装置、射孔枪和与所述射孔枪通信的点火头组件，所述点火头组件包括：

管状壳体，其具有第一端、第二端和在所述第一端与所述第二端之间延伸的内腔，其中上锁定构件和下锁定构件以彼此间隔开的构造位于所述内腔中，

第一活塞和第二活塞，其中所述第一活塞邻近所述第一端，并且所述第二活塞邻近所述第二端，所述第一活塞和所述第二活塞中的每一个至少部分地延伸到所述内腔内，所述第一活塞和所述管状壳体至少部分地限定具有第一压力的上腔室，并且所述第二活塞和所述管状壳体至少部分地限定具有第二压力的下腔室，

可压缩构件，其布置在所述管状壳体的所述内腔内，所述可压缩构件具有邻近所述第一活塞的第一端部和邻近所述第二活塞的第二端部，其中所述可压缩构件与所述第一压力、所述第二压力和所述管状壳体外部的井筒压力隔离，

多个上锁定臂和多个下锁定臂，其中所述上锁定臂与所述上锁定构件可释放地接合，并且所述下锁定臂与所述下锁定构件可释放地接合，

上剪切垫圈和下剪切垫圈，其中每个剪切垫圈布置成在所述第二活塞的每一侧上邻近管状主体的第二开口，并且限制所述第二活塞的移动，以及

以下二者之一：布置在所述第二活塞下方的撞针和以间隔开的构造布置在所述撞针下方的撞击引爆器，以及位于所述第二活塞下方的电触针和以间隔开的构造位于所述电触针下方的电路板；

增大所述上腔室的所述第一压力，直到所述第一活塞向下朝向所述第二活塞移动并且所述上锁定臂固定到所述上锁定构件，从而部分地压缩所述可压缩构件；以及

调节所述井筒压力以及相应地所述下腔室的所述第二压力以启动事件，所述事件包括在所述点火条件下触发爆炸反应和在所述非点火条件下取消爆炸反应中的一个。

18.根据权利要求17所述的方法，其中在所述点火条件下，所述调节包括：

减小所述井筒压力以及相应地所述下腔室的所述第二压力，直到所述下剪切垫圈断裂，使得所述可压缩构件膨胀并将所述撞针推入所述撞击引爆器中，以触发所述爆炸反应，或者使所述电触针与所述电路板接触，以触发所述爆炸反应。

19.根据权利要求18所述的方法，其中如果在所述不点火条件下，不通过减小所述井筒压力的步骤触发所述爆炸反应，则所述调节包括：

增大所述井筒压力以及相应地所述下腔室的所述第二压力，直到下活塞克服所述可压缩构件的力向上移动并且直到超过所述上剪切垫圈的剪切力，由此使所述上剪切垫圈断裂并且迫使所述第二活塞和所述下锁定臂进一步向上移动，直到所述下锁定臂接合所述下锁定构件，使得所述射孔枪和所述点火头组件可以从所述期望位置移除。

20.根据权利要求17所述的方法，其中在所述非点火条件下，所述调节包括：

增大所述井筒压力以及相应地所述下腔室的所述第二压力，从而使所述上剪切垫圈断裂，并使所述第二活塞和所述下锁定臂向上移动，直到所述下锁定臂接合所述下锁定构件，使得所述射孔枪和所述点火头组件可以从所述期望位置移除。

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