CN114286884A - 动力充药点火装置 - Google Patents
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Abstract
一种使用与主推进剂混合的点火推进剂点燃井下井筒中动力充药的方法和设备。
Description
相关申请
本申请要求于2019年8月13日年提交的题为“动力充药点火装置”的美国临时申请62/886,197号的优先权。
背景技术
通常,当完成用于从地下储层生产流体、矿物或气体的地层下的井时,作为钻井、勘探和完井过程的一部分,将几种类型的管件放置在井下。这些管件可以包括套管、导管、管线、衬管和通过各种类型的管件向井下输送的装置。每口井都是独一无二的,因此可以出于多种目的将不同管件的组合下放到井中。
地表下或地底下的井穿过一个或多个地层。地层是包含一种或多种成分的岩石或地层体。地层被视为连续体。地层内可能存在碳氢化合物沉积物。通常,将从地面位置钻井筒,在目标地层中钻孔。完井设备将到位,包括套管、导管和其它需要的井下设备。用射孔枪对套管和地层进行射孔是本领域众所周知的从井筒进入地层内的碳氢化合物沉积物的方法。
设置工具可用于许多应用,包括设置桥塞。桥塞通常被引入或携带到管道上的地层下的油井或气井中,所述管道例如电线、电线、连续导管、螺纹工作管柱等,用于沿着具有内部光滑内壁的另一管道例如套管接合在井内的预选位置。桥塞通常被膨胀并在套管内就位。桥塞有效地将套管的一部分与另一部分密封起来。桥塞安装后,可能会开始几种不同的完井作业,包括射孔和压裂。有时,在一种称为“堵塞和穿孔”的操作中,会设置一系列堵塞,在这种操作中,套管的几个部分会依次射孔。
设置桥塞通常需要设置“滑动”机构,该“滑动”机构将桥塞与套管接合并锁定,并在桥塞的情况下给填料元件通电。这需要很大的力,通常超过20,000磅。一些设置工具的激活或操作包括激活高能材料,例如烟火充药,称为动力充药,以提供设置桥塞所需的能量。高能材料可以使用相对缓慢的燃烧化学反应来产生高压气体。贝克国际公司(BakerInternational Corporation)的E-4型电缆压力设置工具就是这样一种设置工具,有时也称为贝克设置工具(Baker Setting Tool)。
发射头也可以与设置工具结合使用。发射头用于触发设置。发射头可以由电信号激活。电力可由电缆提供,该电缆系在下井仪器串顶部的电缆接头上。电信号在到达发射头之前可能不得不经过几个部件、接头和工具。需要一个可靠的电连接器,以确保当电信号沿下井仪器串向下移动时,电信号能够容易地从一个部件传递到下一个部件。电信号通常相对于下井仪器串套管接地。因此,电连接必须与工具部件绝缘,工具部件与下井仪器串套管电接触。
发明内容
示例性实施例可包括具有管状壳体的动力充药,该管状壳体具有第一端、第二端和中段,主推进剂在壳体内靠近中段,该中段包括主推进剂,在壳体内靠近第一端的第一点火部分包括第一混合物,该第一混合物由主推进剂和点火推进剂组成。
示例性实施例的变型可以包括点火推进剂,该点火推进剂具有为1.5或更大传播指数,和主推进剂具有为1.5或更小传播指数。该示例性实施例的变型可以具有包括传播指数为2.0或更大的点火推进剂。该示例性实施例的变型可以包括具有传播指数为2.75或更大的点火推进剂。该示例性实施例的变型可能包括含硼硝酸钾的第一点火推进剂。该示例性实施例的变型可以包括第一混合物,该第一混合物由主推进剂和点火推进剂组成,该第一混合物具有梯度,占主导的点火推进剂朝向第一端并远离第一端过渡到主要的主推进剂。该示例性实施例的变型可以包括梯度,该梯度从靠近第一端的90%或更多点火推进剂到远离第一端的10%或更少点火推进剂。该示例性实施例的变型可以包括第一点火部分,该第一点火部分从第一端延伸0.5英寸至1.5英寸。该示例性实施例的变型可以包括点火部分,该点火部分从壳体的端部延伸大约壳体长度的12.5%到25%。该示例性实施例的变型可以包括第一点火部分,该第一点火部分大约是按重量计算的动力充药的1.50%。
示例性实施例可包括具有管状壳体的动力充药,该管状壳体具有第一端、第二端和中段,主推进剂在壳体内靠近中段,该中段包括主推进剂,在壳体内靠近第一端的第一点火部分包括第一混合物,该第一混合物由主推进剂和点火推进剂组成,在壳体内靠近第二端的第二点火部分包括第二混合物,该第二混合物由主推进剂和点火推进剂组成。
示例性实施例的变型可以包括传播指数为1.5或更大的点火推进剂和传播指数为1.5或更小的主推进剂。该示例性实施例可以包括传播指数为2.0或更大的点火推进剂。该示例性实施例可以包括传播指数为2.75或更大的点火推进剂。该示例性实施例可能包括含有硼硝酸钾的点火推进剂。该示例性实施例可以包括第一混合物,该第一混合物由主推进剂和点火推进剂组成,该第一混合物具有梯度,占主导的点火推进剂朝向第一端,并远离第一端过渡到主要的主推进剂,以及由主推进剂和点火推进剂组成的第二混合物,该第二混合物具有梯度,占主导的点火推进剂朝向第二端,并远离第二端过渡到主要的主推进剂。该示例性实施例可以包括第一梯度,该第一梯度的范围从靠近第一端的90%或更多点火推进剂到远离第一端的10%或更少点火推进剂,以及第二梯度,该第二梯度的范围从靠近第二端的90%或更多点火推进剂到远离第二端的10%或更少点火推进剂。该示例性实施例可以包括第一点火部分和第二点火部分,该第一点火部分从第一端延伸0.5英寸和1.5英寸之间,该第二点火部分从第二端延伸0.5英寸和1.5英寸之间。该示例性实施例可以包括点火部分,该点火部分从壳体的端部延伸大约壳体长度的12.5%到25%。该示例性实施例可以包括第一点火部分和第二点火部分,按重量计算,该第一点火部分和该第二点火部分的总和约为动力充药的3.0%。
附图说明
为了彻底理解本发明,结合附图,参考以下优选实施例的详细描述,在附图的几幅图中,附图标记表示相同或相似的元件。简而言之:
图1A示出了动力充药的侧视剖面图。
图1B示出了动力充药的侧视剖面图。
图2示出了带有动力充药的设置工具的侧视剖面图。
图3示出了带有动力充药的设置工具的侧视剖面图。
具体实施方式
在下面的描述中,为了简洁、清楚和举例,使用了某些术语。这并不意味着不必要的限制,并这些术语仅用于描述目的,并旨在被广泛地解释。这里描述的不同装置、系统和方法步骤可以单独使用或者与其它装置、系统和方法步骤结合使用。预期在所附权利要求的范围内,各种等同物、替代物和修改是可能的。
图2和图3示出了示例性设置工具,该设置工具具有电连接201、点火器203、动力充药101和活塞204。在操作中,信号通过电连接201引发点火器203发出热量以及,通常是火焰。点火器203的输出通过路径202点燃动力充药101中的推进剂,该推进剂产生最终驱动活塞204的压力,以驱动工具,例如井筒塞。有时,诸如派罗得斯(pyrodex)的第二材料被放置在点火器和动力充药之间的点火路径中,以提高点火传递的可靠性。
推进剂可以通过其传播指数(PI)来分类,传播指数由每克卡路里的能量输出(ΔHReaction)与以摄氏度为单位的自动点火温度(TIgnition)之比来定义。
PI=ΔHReaction/TIgnition
动力充药通常包括主推进剂,通常有金属燃料,氧化剂有环氧树脂之类的粘合剂。在一些实例中,这些组分以33-85%环氧树脂、0-20%燃料和20-67%氧化剂的比例混合。在一个例子中,燃料是铝以及氧化剂是环氧粘合剂中的硝酸钾。主要推进剂的其它可能燃料包括:铁、镁、镁铝(镁/铝50/50合金)、钛、钨、锌、锆、硼、硫、木炭和石墨。主推进剂的其它可能氧化剂包括:硝酸铵、高氯酸铵、氯酸钡、铬酸钡、硝酸钡、过氧化钡、三氧化二铁(红色)、三氧化二铁(黑色)、铬酸铅、二氧化铅、氧化铅、四氧化铅、氯酸钾、高氯酸钾、硝酸钠和硝酸锶。主推进剂的传播指数通常小于1.5卡路里/(克·摄氏度)。示例主推进剂的传播指数可以小于0.5卡路里/(克·摄氏度)。示例主推进剂的自燃温度可能超过1000摄氏度。示例主推进剂的能量输出为每克500卡路里或更少。
在图1B的示例性实施例中,动力充药101在管状壳体102中示出。该管状壳体具有第一端105、第二端103以及第一端和第二端之间的中段。在壳体102的中段有一个主推进剂104。
在壳体的第一端105中,有烟火材料的第一点火部分106,该烟火材料由主推进剂104和点火推进剂的混合物制成。点火推进剂是一种通常比主推进剂对点火更敏感的材料,并通常比主推进剂具有更大的能量输出。在一些例子中,点火推进剂的自动点火温度不高于600摄氏度。在一些例子中,点火推进剂的能量输出至少为每克900卡路里。在一些例子中,点火推进剂的能量输出超过每克1500卡路里。点火推进剂的传播指数通常至少为1.5卡路里/(克·摄氏度)。点火推进剂通常具有600摄氏度或更低的自动点火温度。示例点火推进剂的传播指数为2.75或更大。
点火推进剂的例子有硝酸硼钾(BKNO3)、高氯酸锆钾(ZPP)、氢化钛高氯酸钾(THPP)、派罗得斯(Pyrodex)、三倍7(Triple 7)、黑火药、高氯酸铝钾。BKNO3的反应热约为1600卡路里/克,自燃温度为565摄氏度,传播指数为2.83卡路里/(克·摄氏度)。派罗得斯(Pyrodex)和三倍(Triple 7)的反应热约为1100卡路里/克,自燃温度为399摄氏度,传播指数为2.76卡路里/(克摄氏度)。黑火药的反应热约为660卡路里/克,自燃温度为330摄氏度,传播指数为2.00卡路里/(克·摄氏度)。在一些示例中,如图1A所示,在壳体的第二端103附近有第二点火部分107。在一些示例中,第一点火部分106和第二点火部分107的总和可以约为按重量计的动力充药的3.0%。
优选地,第一点火部分106或第二点火部分107中的混合物以梯度混合,其中主导点火推进剂朝向第一端,并远离第一端过渡到主要主推进剂。在一些例子中,混合物的范围从靠近壳体端部的90%或更多的点火推进剂到远离壳体端部的10%或更少的点火推进剂。在一些示例中,点火部分106或107从壳体的端部延伸大约0.5英寸。在一些示例中,点火部分106或107从壳体的端部延伸大约1英寸。在一些示例中,点火部分106或107从壳体的端部延伸大约1.5英寸。在一些示例中,点火部分106或107从壳体的端部延伸大约0.5至1英寸。在一些示例中,点火部分106或107从壳体的端部延伸大约1至1.5英寸。在一些示例中,点火部分106或107从壳体的端部延伸大约壳体长度的12.5%。在一些示例中,点火部分106或107从壳体的端部延伸大约壳体长度的25%。在一些例子中,点火推进剂大约是按重量计算的动力充药重量的0.75%。在一些例子中,点火推进剂大约是按重量计算的动力充药重量的1.5%。在一些例子中,点火推进剂大约是按重量计算的动力充药重量的3.0%。在一些示例中,第一点火部分大约是按重量计的动力充药的1.50%。
主推进剂104位于壳体内部,邻近点火部分。在一些例子中,壳体102是纸板管。
进一步的例子包括制造动力充药的方法。在一种方法中,壳体垂直放置,第一端朝下,其上盖有盖子。然后,点火推进剂106被放置在壳体内,使得它停留在第一端。然后将主推进剂倒入壳体中,在该壳体中主推进剂与点火材料部分混合,形成第一点火部分。然后主推进剂凝固成,例如主推进剂固化的环氧粘合剂部分。可选地,在主推进剂已经被放入壳体中以产生第二点火部分之后,点火材料也可以被添加到壳体中。
点火部分的每个例子可以应用于第一端或第二端的点火部分。
尽管已经根据详细阐述的实施例描述了本发明,但是应当理解,这仅仅是示例性的,并本发明不必局限于此。例如,诸如上部和下部或顶部和底部的术语可以分别替换为井口和井下。顶部和底部可以是左和右。通常,井下工具最初以垂直方向进入钻孔,但是由于一些钻孔以水平方向结束,工具的方向可能会改变。在这种情况下,井下、下部或底部通常是下井仪器串中的一个部件,相对而言,它在被称为井口、上部或顶部的部件之前进入钻孔。第一壳体和第二壳体可以分别是顶部壳体和底部壳体。像井筒、钻孔、井、井眼、油井和其它替代物这样的术语可以用作同义词。鉴于本公开,替代实施例和操作技术对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。因此,在不脱离要求保护的发明的精神的情况下,可以对本发明进行修改。
Claims (24)
1.一种动力充药,包括:
管状壳体,所述管状壳体具有第一端、第二端以及中段;
主推进剂,所述主推进剂在所述壳体内靠近中段,所述中段包括主推进剂;以及
第一点火部分,所述第一点火部分在所述壳体内靠近所述第一端,所述第一端包括主推进剂以及点火推进剂的第一混合物。
2.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述点火推进剂具有600摄氏度或更低的自动点火温度。
3.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述点火推进剂的传播指数为1.5或更大,以及所述主推进剂的传播指数为1.5或更小。
4.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述点火推进剂的传播指数为2.0或更大。
5.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述点火推进剂的传播指数为2.75或更大。
6.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述第一点火推进剂是硝酸硼钾。
7.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述主推进剂以及点火推进剂的第一混合物包括一梯度,点火推进剂多数朝向所述第一端,并远离所述第一端过渡到主要的主推进剂。
8.根据权利要求7所述的动力充药,其中,所述梯度范围从靠近所述第一端的90%或更多点火推进剂到远离第一端的10%或更少点火推进剂。
9.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述第一点火部分从所述第一端延伸0.5英寸至1.5英寸。
10.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述点火部分从所述壳体的端部延伸约所述壳体长度的12.5%。
11.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述点火部分从所述壳体的端部延伸约所述壳体长度的25%。
12.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述第一点火部分约为所述动力充药重量的0.75%。
13.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述第一点火部分约为所述动力充药重量的1.50%。
14.根据权利要求1所述的动力充药,其中,所述第一点火部分约是所述动力充药重量的1.50%。
15.一种动力充药,包括:
管状壳体,所述管状壳体具有第一端、第二端以及中段;
主推进剂,所述括主推进剂在壳体内靠近中段,所述中段包括主推进剂;
第一点火部分,所述第一点火部分在壳体内靠近第一端,所述第一端包括主推进剂和点火推进剂的第一混合物;以及
第二点火部分,所述第二点火部分在壳体内靠近第二端,所述第二端包括主推进剂以及点火推进剂的第二混合物。
16.根据权利要求15所述的动力充药,其中,所述点火推进剂的传播指数为1.5或更大,主推进剂的传播指数为1.5或更小。
17.根据权利要求15所述的动力充药,其中,所述点火推进剂的传播指数为2.0或更大。
18.根据权利要求15所述的动力充药,其中,所述点火推进剂的传播指数为2.75或更大。
19.根据权利要求15所述的动力充药,其中,所述点火推进剂是硝酸硼钾。
20.根据权利要求15所述的动力充药,其中:
所述主推进剂和点火推进剂的第一混合物包括梯度,点火推进剂多数朝向所述第一端,并远离所述第一端过渡到主要的主推进剂;以及
所述主推进剂和点火推进剂的第二混合物包括梯度,点火推进剂多数朝向所述第二端,并远离所述第二端过渡到主要的主推进剂。
21.根据权利要求20所述的动力充药,其中:
第一梯度的范围从靠近所述第一端的90%或更多的点火推进剂到远离所述第一端的10%或更少的点火推进剂;以及
第二梯度的范围从靠近所述第二端的90%或更多的点火推进剂到远离所述第二端的10%或更少的点火推进剂。
22.根据权利要求15所述的动力充药,其中:
所述第一点火部分从所述第一端延伸0.5英寸至1.5英寸;以及
所述第二点火部分从所述第二端延伸0.5英寸至1.5英寸。
23.根据权利要求15所述的动力充药,其中,所述第一点火部分以及所述第二点火部分合计约为所述动力充药重量的1.5%。
24.根据权利要求15所述的动力充药,其中,所述第一点火部分以及所述第二点火部分合计约为所述动力充药重量的3.0%。
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