CN115380151A - 穿孔面板单元和方法 - Google Patents

Abstract

一种使用具有控制板和射击电源的穿孔单元以控制穿孔工具串的方法和设备。一个实施例包括用于控制穿孔枪串中的引爆器的控制系统，该穿孔枪串包括穿孔单元，该穿孔单元还包括软件驱动电源、联接到所述电源的控制板，其中所述电源被编程为在指定深度窗口内的指定时间段自动输出指定量的电压/电流。

Description

穿孔面板单元和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年1月6日提交的美国临时申请第63/134,281号和2020年2月14日提交的美国临时申请第62/977,115号的优先权。

背景技术

目前对井孔穿孔的方法，特别是在水平井中往下泵送穿孔，结合了多种复杂的操作，该操作涉及由多个人类用户独立操作的多种服务和地面装备。需要线缆单元以通过电力电缆将穿孔工具串输送到井下，并由人通过绞车控制来控制。井下穿孔工具串包括用于附接到线缆的电缆头、诸如套管接箍定位器(CCL)和/或伽马射线(GR)检测器的深度相关工具、用于指示穿孔枪在井孔内的位置的可选的定向传感器、用于提供井下工具张力的可选的张力工具、多个穿孔枪和用于设定插头的设置工具。对于水平井，需要人工泵送单元泵送流体，以推动穿孔工具串穿过井孔的侧向部分到达最终期望的测量深度。通常由线缆单元内的个人操作的发射面板需要与井下穿孔工具串中的每个穿孔枪进行通信并选择性地供电。采集系统通常由线缆单元内的个人操作，需要收集和处理来自绞车系统的线缆速度、表面张力和深度数据，并处理井下张力、深度相关数据信号(例如来自套管接箍定位器和/或伽马射线检测器)，以及来自井下工具的工具定向数据，以便可视化和记录操作。需要将一个或多个以下过程结合起来-往下泵送穿孔工具串、输送绞车控制、射击电源供应和将穿孔数据采集到称为穿孔单元的自动化且单独控制的实体中。如本文所述的穿孔单元减少了由于手动操作线缆绞车、泵送单元、采集系统和/或发射面板而发生的人为错误。相关的人为错误已经并可能由于停机时间、损坏和/或弃井而导致金钱损失。相关的人为错误已经并可能导致对装备、环境和人员的损害，包括生命的损失。穿孔单元是单个单元或多个兼容单元组成的系统，目的在于自动化和控制以下系统和过程中的一个或多个：在往下泵送操作期间的地面泵送单元，在往下泵送和穿孔操作期间的绞车系统，在往下泵送和穿孔操作期间的数据采集系统，以及在穿孔操作期间的射击电源。

发明内容

示例实施例可以包括用于控制穿孔枪串中的启爆器的控制系统，该控制系统包括穿孔单元，该穿孔单元还包括软件驱动电源、联接到电源的控制板，其中，该电源被编程以在指定深度窗口内的指定时间段自动输出指定量的电压/电流。

示例实施例的变型可以包括数据采集系统。其可以包括绞车控制器。其可以包括电子开关软件，该电子开关软件被编程有用户输入，该用户输入用于井下开关的数量、启动装置、射孔深度、每个启动装置深度相关偏移，以及自动计算停止深度和理想绞车速度以在自动穿孔过程期间取回。其可以包括输出电压和持续时间，该输出电压和持续时间基于在井下完井工具中使用的常规启爆器类型的选择而被预编程。其可以包括基于在穿孔枪中点燃引爆器的输出电压和持续时间。其可以包括基于插头设置工具中的点火器的输出电压和持续时间。其可以包括穿孔面板自动与一个或多个井下可寻址开关通信，确定深度匹配射孔深度，并在正确的射孔深度施加适当的电能。其可以包括穿孔单元的数据采集系统采集、处理和记录表示来自输送绞车系统的线速度数据、来自输送绞车系统的深度数据、来自输送绞车系统的表面张力、来自地面泵送单元的泵送速率的数据、来自井下工具传感器的井下张力、来自井下工具传感器的套管接箍定位器数据、来自井下工具传感器的伽马射线数据、以及来自井下工具定向传感器的工具定向。其可以包括绞车控制器，绞车控制器自动响应由穿孔单元的数据采集系统采集和处理的数据。其可以包括在往下泵送过程中控制输送单元的绞车速度的穿孔单元。其可以包括穿孔单元，该穿孔单元控制地面泵送单元的泵送速率，该地面泵送单元用于使流体在压力的作用下向井下流动，以便将井下线缆工具串横向地推入水平井孔中，直到达到期望的测量深度。其可以包括泵控制器。其可以包括绞车控制器，该绞车控制器监测来自穿孔单元的数据采集系统的深度、线速度、泵送速率和工具张力数据，以自动调节绞车系统的线速度，从而维持最佳工具张力和理想泵送速率。其可以包括由穿孔单元的数据采集系统计算的最佳工具张力，该穿孔单元的数据采集系统基于预往下泵送操作用户输入、井下工具压力额定值、最小和最大线速度、最小和最大表面张力和电缆头弱点额定值，如最大工具串张力。其可以包括在往下泵送操作之前，基于已知的井斜测量，以递增的深度将理想泵送速率输入到数据采集系统中。其可以包括当工具串被泵送到水平井中时，最佳工具张力和理想泵送速率由穿孔单元根据深度自动调节。

一个示例性实施例可包括一种用于引爆井下工具的方法，包括将工具下降到井孔第一预定距离，扫描枪串，将作业参数输入穿孔单元，将工具下降到第二预定井孔深度，在第二预定井孔深度处停用泵，将工具停止在在第二预定井孔深度处，将工具上升到第一预定射孔深度，基于射击距离和所需点火时间计算最佳绞车速度，在第一预定射孔深度处发射工具，其中穿孔单元向射击电源发送命令以启动，确定在第一预定射孔深度的射击是否成功，以及确定所有射击是否已被点火。

示例性实施例的变型可包括经由绞车控制器使工具串在井下下降。其可以包括确定工具是否准备好下降。其可以包括使用井下工具数据源采集数据。井下工具数据包括工具张力、来自套管接箍定位器的数据、来自伽马射线工具的数据，或者数据包括来自定向传感器的数据。其可以包括采集表面数据，包括工具深度或表面张力。其可以包括通过基于地面绞车数据源的数据采集来计算线速度。其可以包括采集泵送速率数据。其可以包括关联数据以确定工具串的位置和该工具串的井下速度。其可以包括调节绞车速度以匹配期望的速度。其可以包括使工具下降到期望的偏差。其可以包括通过泵控制器来管理泵以实现期望的工具张力。其可以包括经由泵控制器调节泵，和经由绞车控制器调节绞车以实现期望的工具张力。第二预定深度可以是井底深度。泵控制器可以在第二预定深度处停用泵。将工具停止在第二预定深度处可以由绞车控制器执行。其可以包括选择全自动或半自动穿孔方法。其可以包括设置插头。其可以包括检测发射并停用射击电源。其可包括在第一预定射孔深度在工具发射射击之后防止短路。

附图说明

图1示出了表示在线缆上井下穿孔枪工具串的示意图，该线缆电力连接到穿孔面板。

图2示出了与井下穿孔枪串对接的穿孔面板的操作流程图。

图3示出了表示井下穿孔枪工具串的图，该井下穿孔枪工具串具有位于电力连接到穿孔面板和数据采集系统的线缆上的套管接箍定位器、伽马射线工具和定向工具。图3的绞车控制器是单独的但兼容的实体，该绞车控制器可以由穿孔面板自动控制，也可以不由穿孔面板自动控制。

图4A和图4B示出了与井下穿孔枪串对接的穿孔单元的操作流程图，该穿孔单元具有穿孔面板和数据采集系统。

图5示出了表示井下穿孔枪工具串的图，该井下穿孔枪工具电力连接到穿孔单元的线缆上串具有套管接箍定位器、伽马射线工具和的定向工具，该穿孔单元具有发射面板、数据采集系统和绞车控制器。

图6A和图6B示出了穿孔单元的操作流程图，该穿孔单元与井下穿孔枪串对接，该穿孔单元具有自动发射面板、数据采集系统和绞车控制器。

图7示出了表示井下穿孔枪工具串的图，该井下穿孔枪工具串具有位于电力连接到具有穿孔面板的穿孔单元的线缆上的套管接箍定位器、伽马射线工具、井下张力工具和定向工具、数据采集系统、绞车控制器和泵控制器。

图8A、图8B和图8C示出了穿孔单元的操作流程图，该穿孔单元与井下穿孔枪串对接，该穿孔单元具有穿孔面板、数据采集系统、绞车控制器和泵控制器。

具体实施方式

在以下描述中，为了简洁、清楚和示例，使用了某些术语。其中并不暗示不必要的限制，并且这些术语仅用于描述性目的，并旨在被广泛地解释。本文描述的不同设备、系统和方法步骤可以单独使用或与其它设备、系统和方法步骤组合使用。可以预期，在所附权利要求的范围内，各种等价物、替代物和修改都是可能的。

诸如助推器的术语可以包括小金属管，该小金属管包含有卷曲到引爆索的端部上的二级高爆炸药。炸药组件被设计成在穿孔枪或其它炸药装置之间提供可靠的引爆传递，并通常用作备用炸药以确保引爆。

引爆索是一种包含封装在柔性外壳中的高爆炸药的索，该引爆索用于将引爆器连接到主高爆炸药，例如聚能装药。这提供了一种非常快速的启爆顺序，该启爆顺序可以用于同时点火多个聚能装药。

引爆器或启爆装置可以包括一级高爆炸药材料的装置，该一级高爆材料用于启爆爆炸顺序，该引爆器或起爆装置包括一个或多个聚能装药。两种常规类型可包括电力引爆器和撞击引爆器。引爆器可以被称为启爆器。当施加高电压以启爆主高爆炸药时，电力引爆器具有可燃烧的引信材料。撞击引爆器在密封容器中包含有磨料颗粒和一级高爆炸药，该密封容器由撞针激发。撞针的撞击足以启动冲击顺序，该冲击顺序随后传送到引爆索。

在垂直井中进行常规穿孔或在水平井中进行非常规穿孔利用任何输送方法，该方法为井下工具经由电力线路栓系到本发明的绞车系统。虽然穿孔是主要应用，但是相同的发明和方法可以应用于任何井的操作，其中通过沿着诸如线缆的电力电缆发送电力而在确定的深度处启动井下装置。除了穿孔之外的示例包括：设置插头、启动切割器以切割套管、启动切断工具或松开工具以释放卡住的管、启动抽泥筒中的引爆器以倾倒水泥、传递增产措施到一个或多个穿孔区域、或启动任何其它井下冲击装置。

“发射面板”(也称为“射击电源”和“穿孔面板”以及“穿孔单元”)是地面电子电源单元，该电源单元连接到诸如线路的井下输送工具，并向井下完井工具供电，主要是向穿孔系统供电。从地面的发射面板到穿孔枪中的启爆器/引爆器的电力路径为：VAC墙壁插座-VDC发射面板-线缆集电环-线缆-电缆头触点-套管接箍定位器-穿孔枪中的电子开关-穿孔枪中的引爆器或插头设置工具中的点火器。多个穿孔枪在CCL(套管接箍定位器)下面串联。每个穿孔枪包含电触点或电线，以将上面的电力路径连接到电子开关和启爆器(引爆器)。一旦引爆器通过施加的电力被启动，爆炸传送到引爆索，该引爆索启动穿孔枪中附接的聚能装药。

穿孔过程需要几个步骤以利用穿孔枪中的选择-点火电子开关成功地进行深度穿孔。首先，当通过独立于发射面板的绞车和深度跟踪系统从井底深度收回线缆时，用户必须确保穿孔器处于正确的井下位置。在深入时，用户必须通过电子开关软件向井下开关发送电子命令，以便寻址、铠装和准备开枪。一旦到达深度，或者在如果向上移动时发射，则接近深度，当点火每枪时，必须执行双手程序：(1)通常保持弹簧加载的触发器或按下并保持弹簧加载的按钮(2)按下并保持单独的弹簧加载的按钮或顺时针从硬的左/停(零)转动旋钮(增加电压)。上述动作必须在相对短的时间窗(10秒-30秒)内进行，并如果在快速上移孔的同时进行发射，则可能进一步复杂化。

穿孔单元的示例性实施例将允许在穿孔过程期间一旦在井下开始，则射击电源和电子开关软件可自动化或半自动化。由用户完成的可以自动化的穿孔过程包括：对电子开关软件和电源面板的相关深度采集、用于检查铠装启动的电子开关的软件输入，和施加必要的电压足够的时间量以点火启爆器。在部署之前或在井下200英尺以下的深度处的行程期间，用户可以给穿孔单元供电并选择穿孔单元中的“自动模式”，然后通过输入电子开关的数量、每个枪射孔深度、深度相关性偏移和停止深度来设置自动化过程。当穿孔工具串处于井底深度时，用户开始以由穿孔单元计算的绞车速度沿孔向上收回工具串。用户将用简单的双手操作开始穿孔过程，例如按住键盘按钮同时在按压穿孔单元上的弹簧加载按钮。这启动了自动化顺序。当井下工具串接近每个射孔深度时，穿孔单元将自主地寻址每个枪的开关，并在设置期间以预编程的顺序在精确的射孔深度输入施加电力以发射每个枪。一旦在穿孔过程开始后，用户不必“做”任何事情。用户可以关注绞车速度和其它非穿孔操作。作为一种替代方法，用户必须在每个射孔深度窗口内(每个射孔深度内+/-x英尺)采取两个动作，以便电源自动输出射击电源。双手操作可以是保持键盘按钮，同时按压穿孔单元上的弹簧加载按钮。穿孔单元还具有标准手动模式能力。如果出现任何问题，系统将警告用户停止并返回到手动模式。

图1中公开了一个示例性实施例，该实施例示出了穿孔单元100。穿孔单元100包括由交流电源供电的自动发射面板102。交流电源向联接到控制板104的射击电源103供电。控制板104通过USB连接或无线连接与计算机101联接。控制板104联接到面板输出，该面板输出联接到线缆105。线缆105连接到井下工具，该井下工具包括一个或多个电子开关106和107，例如，每个电子开关分别地连接到引爆器/启爆器108和109。穿孔单元100可检测引爆器/启爆器108和/或109的点火，并自动断开由射击电源103提供的点火电压，从而防止短路，该短路由引爆后进入井下工具的井孔流体引起。短路的缓解保护了线缆105也保护了联接到线缆的其它电子器件。

图2公开了一个示例性实施例，该实施例示出了包括自动发射面板的穿孔单元200的流程图。程序开始，为步骤201，并将工具降低到200英尺，为步骤202。然后，穿孔单元200扫描枪串并输入作业参数，为步骤203。穿孔单元200然后决定工具是否开始下降到井中，为步骤204。如果工具没有准备好下降，则用户将完成任何其他过程，为步骤205，然后决定工具是否开始下降到井中，为204。如果工具准备好下降，则用户通过绞车或其它选择使工具串下降，为步骤206。查询下降速度，为步骤207，如果下降速度不是所需速度，则用户调节绞车速度，为步骤208。如果工具以所需的速度下降，该工具将继续下降直到到达井底深度，为步骤209。当工具到达期望深度时，用户停止工具下降，为步骤210。然后，用户选择全自动或半自动的穿孔方法，为步骤211。程序基于射击距离和所需的点火时间计算最佳绞车速度，为步骤212。然后，穿孔单元200接收来自用户的双手操作以开始，为步骤213。如果适用则设置插头，为步骤214。工具通过由用户控制的绞车上升，为步骤215。工具速度被评估，为步骤216，根据需要由用户调整绞车速度，为步骤217。穿孔单元200从外部过程采集工具深度，为步骤218。当程序确定工具接近射孔深度时，为步骤219，该穿孔单元200向电源发送命令以启动发射，为步骤220。然后穿孔单元200确定该发射是否成功，为步骤221。如果不成功，则向用户通知任何问题，为步骤223。如果成功，则程序确定是否已经点燃了所有射击，为步骤222。如果所有的射击都已经点火，则程序通知用户完成，为步骤224。如果没有点火所有的射击，则程序将返回查询工具的速度和深度以点火下一个射击。

穿孔单元的示例性实施例可以在穿孔过程期间，自动化并控制射击电源和数据采集。操作将不需要单独的独立数据采集系统。穿孔单元的数据采集系统采集、处理、解释和记录一个或多个以下数据组：来自绞车单元的深度数据、来自绞车单元的线速度数据、来自绞车单元的表面张力数据、来自井下工具串上的传感器的张力数据、来自井下工具串的定向传感器数据、以及来自井下工具串中传感器的深度相关数据，该传感器为诸如套管接箍定位器(CCL)或伽马射线(GR)的检测器。一个或多个处理的数据组由穿孔单元监测，使得一旦在穿孔单元上激活自动模式，则射击电源和电子开关软件自动响应而无需任何用户输入。

由用户完成的可以自动化的穿孔过程包括：对电子开关软件和电源面板的相关深度采集、用于检查铠装启动的电子开关的软件输入，和施加必要的电压足够的时间量以点火启爆器。在部署之前或在井下200英尺以下的深度处的行程期间，用户可以给穿孔单元供电并选择穿孔单元中的“自动模式”，然后通过输入电子开关的数量、每个枪射孔深度、深度相关性偏移和停止深度来设置自动化过程。当穿孔工具串处于井底深度时，用户开始以由穿孔单元计算的绞车速度沿孔向上收回工具串。用户将用简单的双手操作开始穿孔过程，例如按住键盘按钮同时在按压穿孔单元上的弹簧加载按钮。这启动了自动化顺序。当井下工具串接近每个射孔深度时，穿孔单元将自主地寻址每个枪的开关，并在设置期间以预编程的顺序在精确的射孔深度输入施加电力以发射每个枪。一旦在穿孔过程开始后，用户不必“做”任何事情。用户可以关注绞车速度和其它非穿孔操作。作为一种替代方法，用户必须在每个射孔深度窗口内(每个射孔深度内+/-x英尺)采取两个动作，以便电源自动输出射击电源。双手操作可以是保持键盘按钮，同时按压穿孔单元上的弹簧加载按钮。穿孔单元还具有标准手动模式能力。如果出现任何问题，系统将警告用户停止并返回到手动模式。

图3中公开了一个示例性实施例，该实施例示出了具有穿孔面板和数据采集系统的穿孔单元300。穿孔单元300包括由交流电源供电的自动发射面板302。交流电源向射击电源303供电，该射击电源303联接到包括数据采集的控制板304。控制板304通过USB连接或无线连接与计算机301联接。控制板304联接到面板输出，该面板输出联接到线缆305。线缆305连接到井下工具，该井下工具可以包括井下张力工具320、套管接箍定位器(CCL)310、伽马射线工具311、定向工具312和至少一个电子开关306中的一个或多个，该电子开关306连接到至少一个引爆器/启爆器308。控制板304从绞车控制器313采集线缆深度和线缆表面张力数据中的一个或多个，该绞车控制器313由单独的绞车马达314控制。由控制板304数据采集系统计算线缆速度，该数据采集系统基于来自绞车控制器313的数据。绞车控制器313由用户手动调节以控制绞车马达314。穿孔单元300可检测引爆器/启爆器308的点火，并自动断开由射击电源303提供的点火电压，从而防止短路，该短路由引爆后进入井下工具的井孔流体引起。短路的缓解保护了线缆305，也保护了联接到线缆的其它电子器件。

图4A公开了一个示例性实施例，该实施例示出了具有穿孔面板和数据采集系统的穿孔单元400的流程图。程序开始，为步骤401，将工具降低到200英尺，为步骤402。穿孔单元400扫描枪串和用户输入作业参数，为步骤403。然后，用户决定工具是否开始下降到井中，为步骤404。如果工具没有准备好下降，则用户将完成任何其他过程，为步骤405，然后决定工具是否开始下降到井中，为步骤404。如果工具准备下降，则用户通过绞车或其它选项使得工具串下降，为步骤406。

穿孔单元400将采集数据407，该采集数据407使用井下工具数据源，该工具数据源为例如工具张力430、套管接箍定位器431、伽马射线工具432和定向传感器433。穿孔单元400将采集数据407，该采集数据407使用包括线速度440、工具深度441和表面张力442的表面绞车数据。所有深度数据被相关，为步骤408。

查询下降速度，为步骤409，如果下降速度不是所需速度，则用户调节绞车速度，为步骤410。如果工具以所需的速度下降，该工具将继续，直到该工具到达井底深度，为步骤411。当工具到达期望深度时，用户停止工具下降,为步骤412。然后，用户选择全自动或半自动的打孔方法，为步骤413。

程序描述在图4B中继续。当用户通过绞车控制取回工具串时，该程序基于射击距离和所需的点火时间计算最佳绞车速度，为步骤414。然后，穿孔单元400从用户接收双手操作以开始射击操作，为步骤415。如果适用则设置插头，为步骤416。工具通过由用户控制的绞车上升，为步骤417。程序监测绞车和张力数据，为步骤418。在步骤419中评估刀具速度，并根据需要在步骤420中调整。穿孔单元400确定工具是否接近射孔深度，为步骤421。当程序确定工具接近射孔深度时为步骤421，该穿孔单元400发送命令到电源以开始发射，为步骤422。穿孔单元400然后确定发射是否成功，为步骤423。如果不成功，则向用户通知任何问题，为步骤425。如果成功，则程序确定是否已经发射了所有射击，为步骤424。如果所有的射击都已经发射，那么程序通知用户完成，为步骤426。如果没有发射所有的射击，则程序将返回到查询工具速度和深度以发射下一个射击。

穿孔单元的示例性实施例可以在工具部署到井中、工具从井中收回以及穿孔过程期间自动化并控制射击电源、数据采集系统和绞车控制器。穿孔单元的数据采集系统采集、处理、解释和记录一个或多个以下数据组：来自绞车单元的深度数据、来自绞车单元的线速度数据、来自绞车单元的表面张力数据、来自井下工具串上的传感器的张力数据、来自井下工具串的定向传感器数据、以及来自井下工具串中的传感器(诸如套管接箍定位器(CCL)或伽马射线(GR)检测器)的深度相关数据。穿孔单元监测一个或多个数据组，使得一旦在穿孔单元上激活自动模式，绞车控制器、射击电源和电子开关软件中的一个或多个自动响应而无需任何用户输入。由用户完成的可以自动化的过程包括：在200英尺以下的深度处通过绞车展开和收回穿孔工具串，将深度采集与电子开关软件和电源面板相关联，将软件输入以检查铠装启动电子开关，并在足够的时间量施加必要的电压以点燃启爆器。在穿孔单元通电之前，穿孔工具串被部署到井孔中200英尺深度以下。在下降到井中之前或在200英尺深度以下的井下行程期间，用户可以选择穿孔单元中的“自动模式”，然后通过输入总深度、最小和最大线速度、最小和最大表面张力、电子开关数量、每个枪射孔深度、深度相关偏移和每个停止深度来设置自动化过程。在下降到井孔中期间，不需要地面泵送来辅助工具刺入到总深度，穿孔单元的数据采集部分采集和解释用于深度相关的数据。从绞车单元收集线深度、线速度和表面张力，并显示在主穿孔单元的图形用户界面(GUI)上。深度相关数据从井下工具串中的传感器采集，例如套管接箍定位器(CCL)或伽马射线(GR)检测器，然后在穿孔单元GUI上处理并显示。穿孔单元利用来自数据采集系统的数据控制绞车在下井期间的速度，并一旦根据预先的作业设置达到总深度，穿孔单元就自动停止。在任何时间点，用户可退出“自动模式”以手动控制绞车系统。

对于竖直完井和水平完井，穿孔过程在上升到井外期间开始。一旦达到总深度，穿孔单元绞车控制就以由穿孔单元基于作业设置期间的用户输入而计算的绞车速度自动地向孔上收回工具串。用户将用简单的双手操作来启动穿孔系统，该双手操作为例如在按住键盘按钮的同时按压穿孔单元上的弹簧加载按钮。这启动了射击电源自动化顺序。当井下工具串自主地接近每个射孔深度时，穿孔单元将自主地寻址用于每个枪、铠装的开关，并在设置期间以预编程的顺序在精确的射孔深度输入处施加电能以发射每个枪。用户在穿孔过程开始后不必“做”任何事情。作为一种替代方法，用户必须在每个射孔深度窗口内(每个射孔深度内+/-x英尺)采取两个动作，以便电源自动输出射击电源。双手操作可以是保持键盘按钮，同时按压穿孔单元上的弹簧加载按钮。穿孔单元还具有标准手动模式能力。如果出现任何问题，系统将警告用户停止并返回到手动模式。

穿孔单元将监测绞车速度和地面和/或井下张力，以将工具串安全地返回到地面并在200英尺处停止。穿孔单元将返回到手动模式，在该模式中必须手动控制绞车直到返回地面。

图5中公开了一个示例性实施例示出了穿孔单元500，该穿孔单元500具有穿孔面板、数据采集系统和绞车控制器。穿孔单元500包括由交流电源供电的穿孔面板502。交流电源向联接到执行数据采集的控制板504的射击电源503供电。控制板504通过USB连接或无线连接与计算机501联接。控制板504联接到面板输出，该面板输出联接到线缆505。线缆505连接到井下工具，该井下工具可包括井下张力工具520、套管接箍定位器(CCL)510、伽马射线工具511、定向工具512和至少一个电子开关506中的一个或多个，该电子开关506连接到至少一个引爆器/启爆器508。控制板504连接到控制绞车马达514的绞车控制器513。当向绞车马达514发送命令时，绞车控制器513取决于线缆深度数据、线缆表面张力数据和绞车控制信号反馈。穿孔单元500可检测引爆器/启爆器508的点火，并自动断开由射击电源503提供的点火电压，从而防止短路，该短路由引爆后进入井下工具的井孔流体引起。短路的缓解保护了线缆505，也保护了联接到线缆的其它电子器件。

图6A中公开了一个示例性实施例的穿孔单元600的流程图，该流程图示出了包括穿孔面板、数据采集系统和绞车控制器。程序开始，为步骤601，将工具降低到200英尺，为步骤602。然后，穿孔单元600扫描枪串，用户输入作业参数，为步骤603。然后，用户决定工具是否开始下降到井中，为步骤604。如果工具没有准备好下降，则用户将完成任何其他过程，为步骤605，然后决定工具是否开始下降到井中，为步骤604。如果工具准备下降，则穿孔单元600通过绞车控制器使工具串下降，为步骤606。

穿孔单元600从井下工具数据源采集数据607，该井下工具数据源例如工具张力630、套管接箍定位器631、伽马射线工具632和定向传感器633。穿孔单元600将采集数据607，数据来自包括工具深度641和表面张力642的表面绞车数据源。线速度640由数据采集607计算，该数据采集基于来自地面绞车数据源的数据。所有深度数据被相关，为步骤608。

查询下降速度，为步骤609，如果下降速度不是所需速度，则穿孔单元600调节绞车速度，为步骤610。如果工具以期望的速度下降，则该工具将继续，直到到达井底深度，为步骤611。当工具到达期望深度时，程序停止工具下降，为步骤612。然后，用户选择打孔方法是全自动还是半自动，为步骤613。

程序描述在图6B中继续。该程序基于射击距离和所需的点火时间计算最佳绞车速度，为步骤614。然后，穿孔单元600接受用户的双手操作以开始，为步骤615。如果适用则设置插头，为步骤616。工具通过由绞车控制器控制的绞车上升，为步骤617。程序监测绞车和张力数据，为步骤618。评估工具速度，为步骤619。根据需要调整工具速度，为步骤620。程序确定工具是否接近射孔深度，为步骤621。当程序确定工具接近射孔深度步骤621时，该穿孔单元600向电源发送命令以开始射击，为步骤622。然后，穿孔单元600确定该发射是否成功，为步骤623。如果不成功，则向用户通知任何问题，为步骤625。如果成功，则程序确定是否所有的射击都已经被发射，为步骤624。如果所有的射击都已经开火，则程序通知用户完成，为步骤626。如果没有发射所有的射击，则程序将返回到查询工具速度和深度以发射下一个射击。

对于水平井，需要人工泵送单元泵送流体，以推动穿孔工具串穿过井孔的侧向部分到达最终期望的测量深度。在往下泵送过程中，控制绞车的用户还必须主动地监测和响应由地面泵送单元的泵送速率引起的井下工具串上的张力。在往下泵送过程中，操作泵控制器的用户必须主动地监测和响应线速度和工具串张力。

穿孔单元的示例性实施例可以在工具部署到井中、工具从井中收回以及穿孔过程期间自动化并控制射击电源、数据采集系统、绞车控制器和泵控制器。穿孔单元的数据采集系统采集、处理、解释和记录一个或多个以下数据组：来自地面泵送单元的泵送速率、来自绞车单元的深度数据、来自绞车单元的线速度数据、来自绞车单元的表面张力数据、来自井下工具串上的传感器的张力数据、来自井下工具串的定向传感器数据、以及来自井下工具串中诸如套管接箍定位器(CCL)或伽马射线(GR)检测器的传感器的深度相关数据。穿孔单元监测一个或多个数据组，使得一旦在穿孔单元上激活自动模式，泵控制器、绞车控制器、射击电源和电子开关软件中的一个或多个自动响应而无需任何用户输入。由用户完成的可以自动化的过程包括：地面泵送单元的泵送速率，在200英尺以下的深度处通过绞车展开和收回穿孔工具串。将深度采集与电子开关软件和电源面板相关联，将软件输入以检查铠装启动电子开关，并施加必要的电压足够的时间量以点燃启爆器。

在穿孔单元通电之前，穿孔工具串被部署到井孔中200英尺深度以下。在下降到井中之前或在200英尺深度以下的井下行程期间，用户可以选择穿孔单元中的“自动模式”，然后通过输入电缆头弱点(最大井下张力)、总深度、最小和最大线速度、最小和最大表面张力、电子开关数量、每个枪射孔深度、深度相关偏移和每个停止深度来设置自动化过程。在下降到水平井孔的横向部分中期间，这需要地面泵送以辅助工具串到达总深度，穿孔单元的数据采集部分采集并解释用于深度相关、绞车控制和泵控制的数据。从绞车单元收集线深度、线速度和表面张力，并显示在主穿孔单元的图形用户界面(GUI)上。深度相关数据从井下工具串中的传感器采集，例如套管接箍定位器(CCL)或伽马射线(GR)检测器，然后被处理并显示在穿孔单元GUI上。从泵控制器采集泵送速率并显示在穿孔单元GUI上。

一旦自动模式启动，穿孔单元的绞车控制器就监测来自穿孔单元的数据采集系统的深度、线速度、泵送速率和工具张力数据，以自动调节绞车系统的线速度，从而维持最佳工具的张力和理想的泵送速率。同时，穿孔单元的泵控制器监测来自穿孔单元的数据采集系统的深度、线速度、泵送速率和工具张力数据，以自动调节地面泵送单元的泵送速率，从而维持最佳的工具张力和理想的泵送速率。基于预往下泵送操作用户输入-井下工具压力额定值、最小和最大线速度、最小和最大表面张力和电缆头弱点额定值，通过数据采集来计算最佳工具张力。理想的泵送速率是用户基于已知的井斜测量在递增的深度处将预往下泵送操作输入到数据采集中。当工具串被泵送到水平井中时，根据深度通过数据采集自动地调节最佳工具张力和理想泵送速率。在任何时间点，用户可退出“自动模式”以手动控制绞车系统。当总深度被数据采集系统检测到时，穿孔单元将首先停止泵送单元，然后停止绞车，使得井下工具串在作业设置期间停止在总深度输入处。

对于竖直完井和水平完井，穿孔过程在上升到井外期间开始。一旦达到总深度，穿孔单元绞车控制就以由穿孔单元基于作业设置期间的用户输入而计算的绞车速度自动地向孔上收回工具串。用户将用简单的双手操作来启动穿孔系统，该双手操作为例如在按住键盘按钮的同时按压穿孔单元上的弹簧加载按钮。这启动了射击电源自动化顺序。当井下工具串自主地接近每个射孔深度时，穿孔单元将自主地寻址用于每个枪、铠装的开关，并在设置期间以预编程的顺序在精确的射孔深度输入处施加电能以发射每个枪。用户在穿孔过程开始后不必“做”任何事情。作为一种替代方法，用户必须在每个射孔深度窗口内(每个射孔深度内+/-x英尺)采取两个动作，以便电源自动输出射击电源。双手操作可以是保持键盘按钮，同时按压穿孔单元上的弹簧加载按钮。穿孔单元还具有标准手动模式能力。如果出现任何问题，系统将警告用户停止并返回到手动模式。

穿孔单元将监测绞车速度和地面和/或井下张力，以将工具串安全地返回到地面并在200英尺处停止。穿孔单元将返回到手动模式，在该模式中必须手动控制绞车直到返回地面。

图7中公开了一个示例性实施例，该实施例示出了穿孔单元700，该穿孔单元700包括穿孔面板、数据采集系统、绞车控制器和泵控制器。该穿孔单元700包括由交流电源供电的自动发射面板702。交流电源向联接到执行数据采集的控制板704的射击电源703供电。控制板704通过USB连接或无线连接与计算机701联接。控制板704联接到面板输出，该面板输出联接到线缆705。线缆705连接到井下工具串，该井下工具串包括井下张力工具720以及套管接箍定位器(CCL)710、伽马射线工具711、定向工具712和至少一个电子开关706中的一个或多个，该电子开关706连接到至少一个引爆器/启爆器708。控制板704连接到控制绞车马达714的绞车控制器713。当向绞车马达714发送命令时，绞车控制器713取决于线缆深度数据、线缆表面张力数据和绞车控制信号反馈。控制板704联接到泵控制器715。泵控制器715使用压力数据、流速数据和泵控制信号反馈的组合来控制泵716。穿孔单元700可以检测引爆器/启爆器708的点火，并自动断开由射击电源703提供的点火电压，从而防止短路，该短路由引爆后进入井下工具的井孔流体引起。短路的缓解保护了线缆705，也保护了联接到线缆的其它电子器件。

图8A公开了一个示例性实施例，该实施例示出了穿孔单元800的流程图。程序开始，为步骤801。将工具降低到200英尺，为步骤802。然后，穿孔单元800扫描枪串，用户输入作业参数，为步骤803。然后，用户决定工具是否开始下降到井中，为步骤804。如果工具没有准备好下降，则用户将完成任何其他过程，为步骤805，然后决定工具是否开始下降到井中，为步骤804。如果工具准备下降，则穿孔单元800通过绞车控制器使工具串下降，为步骤806。

穿孔单元800将采集数据807，使用井下工具数据源，该数据源为例如工具张力830、套管接箍定位器831、伽马射线工具832和定向传感器833。穿孔单元800使用表面绞车数据采集数据807，该表面绞车数据包括工具深度841和表面张力842的表面绞车数据。基于地面绞车数据源，线速度840由数据采集807计算。穿孔单元800将采集包括泵送速率834的数据。所有深度数据被相关，为步骤808，以确定工具串的位置和该工具串的井下速度。

查询下降的速度为步骤809，如果下降不是所需的速度，则穿孔单元800调节绞车速度，为步骤810。如果工具以所需速度下降，则该工具将继续，直到所需的井偏差，为步骤811。

程序描述在图8B中继续。穿孔单元800通过泵控制器启动泵，为步骤850。穿孔单元800确定工具张力是否在期望范围内，为步骤851。如果工具张力不在期望范围内，则穿孔单元800将通过适当的绞车控制器或泵控制器调节泵和/或绞车，为步骤852。然后，穿孔单元800将确定工具何时接近井底深度，为步骤853。一旦程序确定工具接近井底深度，穿孔单元800就通过泵控制器停用泵，为步骤854。然后，穿孔单元800确定工具是否已经到达井底深度，为步骤855。如果不是，则面板将经由绞车控制器调节绞车速度以使工具到达井底深度，为步骤856。

当工具到达井底深度时，穿孔单元800通过绞车控制器停止下降，为步骤812。然后，用户选择打孔方法是全自动还是半自动，为步骤813。

程序描述在图8C中继续。该程序基于射击距离和所需点火时间计算最佳绞车速度，为步骤814。然后，穿孔单元800接受用户的双手操作以开始，为步骤815。如果适用则设置插头，为步骤816。工具通过由绞车控制器控制的绞车上升，为步骤817。程序监测绞车和张力数据，为步骤818。评估工具速度为步骤819，并根据需要调整为步骤820。程序确定工具是否接近射孔深度，为步骤821。当程序确定工具接近射孔深度步骤821时，穿孔单元800向电源发送命令以开始发射，为步骤822。穿孔单元800然后确定爆破是否成功，为步骤823。如果不成功，则向用户通知任何问题，为步骤825。如果成功，则程序确定是否所有的射击都已经被发射，为步骤824。如果所有的射击都已经开火，则程序通知用户完成，为步骤826。如果没有发射所有的射击，则程序将返回到查询工具速度和深度以发射下一个射击。

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，这仅仅是说明性的，并且本发明不必限制于此。例如，诸如上部和下部或顶部和底部的术语可以分别由井口和井下代替。顶部和底部可以分别是左和右。井上和井下可以在图中分别示出为左和右，或者分别示出为顶部和底部。通常，井下工具最初以垂直定向进入钻孔，但是由于一些钻孔最终水平，工具的定向可能改变。在这种情况下，井下、下部或底部通常是指工具串中的组件，其相对而言在称为井上、上部或顶部的组件之前便进入了井孔。第一壳体和第二壳体可以分别是顶部壳体和底部壳体。在例如本文所述的枪串中，第一枪可以是井上枪或井下枪，与第二枪相同，并且井上或井下参考可以交换，因为它们仅用于描述各种组件的位置关系。可以同义地使用诸如井孔、钻孔、井、探孔、油井和其它替代物的术语。可以同义地使用诸如工具串、工具、穿孔枪串、枪串或井下工具的术语以及其他替代物。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将变得显而易见。因此，可以在不偏离所要求保护的发明的精神的情况下，针对本发明的修改是可以预期的。

Claims (42)

1.一种用于控制穿孔枪串中的启爆器的控制系统，包括：

穿孔单元，还包括软件驱动电源、联接到所述电源的控制板，其中，所述电源被编程以在指定深度窗口内的指定时间段自动输出指定量的电压/电流。

2.根据权利要求1所述的控制系统，还包括数据采集系统。

3.根据权利要求1所述的控制系统，还包括绞车控制器。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，电子开关软件被编程有用户输入，所述用户输入用于井下开关的数量、启动装置、射孔深度、每个启动装置深度相关偏移，以及自动计算停止深度和理想绞车速度以用于在自动穿孔过程期间取回。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述输出电压和持续时间基于井下完井工具中使用的常规启爆器类型的选择而被预编程。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述输出电压和持续时间基于在穿孔枪中点火引爆器。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述输出电压和持续时间基于点燃插头设置工具中的点火器。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述穿孔面板自动与一个或多个井下可寻址开关通信，确定深度匹配射孔深度，并在正确的射孔深度施加适当的电能。

9.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述穿孔单元的数据采集系统采集、处理和记录表示来自输送绞车系统线速度的数据、来自所述输送绞车系统深度的数据、来自所述输送绞车系统表面张力数据、来自地面泵单元的泵送速率的数据、来自井下工具传感器的井下张力数据、来自井下工具传感器的套管接箍定位器的数据、来自井下工具传感器的伽马射线数据和来自所述井下工具定向传感器的工具定向数据。

10.根据权利要求3所述的控制系统，其中，所述绞车控制器自动响应数据，所述数据由所述穿孔单元的数据采集系统采集和处理。

11.根据权利要求1所述的控制系统，其中，在往下泵送过程期间，所述穿孔单元控制输送单元的绞车速度。

12.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述穿孔单元控制地面泵送单元的泵送速率，所述地面泵送单元用于使流体在压力下向井下流动，以便将所述井下测井线缆工具串横向地按入水平井孔中，直到达到期望的测量深度。

13.根据权利要求1所述的控制系统，还包括泵控制器。

14.根据权利要求3所述的控制系统，其中，所述绞车控制器监测来自穿孔单元的数据采集系统的深度、线速度、泵送速率和工具张力数据，以自动调节绞车系统的线速度，从而维持最佳工具张力和理想泵送速率。

15.根据权利要求2所述的控制系统，其中，最佳工具张力由所述穿孔单元的数据采集系统来计算，所述穿孔单元的数据采集系统基于预往下泵送操作用户输入、井下工具压力额定值、最小和最大线速度、最小和最大表面张力和电缆头弱点额定值(最大工具串张力)。

16.根据权利要求2所述的控制系统，其中，在往下泵送操作之前，基于已知的井斜测量，以递增的深度将理想泵送速率输入到所述数据采集系统中。

17.根据权利要求1所述的控制系统，其中，当工具串被泵送到水平井中时，最佳工具张力和理想泵送速率由穿孔单元根据深度自动调节。

18.一种用于引爆井下工具的方法，包括：

将所述工具下降到井孔中第一预定距离；

扫描枪串；

将作业参数输入穿孔单元；

将所述工具下降到第二预定井孔深度；

在所述第二预定井孔深度处停用泵；

将所述工具停止在所述第二预定井孔深度处；

将所述工具上升到第一预定射孔深度；

基于射击距离和所需点火时间计算最佳绞车速度；

在所述第一预定射孔深度处发射所述工具，其中，所述穿孔单元向射击电源发送命令以启动；

确定在所述第一预定射孔深度的射击是否成功；以及

确定是否已经发射所有射击。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括经由绞车控制器使工具串往井下下降。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括确定所述工具是否准备好下降。

21.根据权利要求18所述的方法，还包括使用井下工具数据源采集数据。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，井下工具数据包括工具张力。

23.根据权利要求20所述的方法，其中，井下工具数据包括来自套管接箍定位器的数据。

24.根据权利要求20所述的方法，其中，井下工具数据包括来自伽马射线工具的数据。

25.根据权利要求20所述的方法，其中，井下工具数据包括来自定向传感器的数据。

26.根据权利要求18所述的方法，还包括采集表面数据。

27.根据权利要求25所述的方法，其中，表面数据包括工具深度。

28.根据权利要求25所述的方法，其中，表面数据包括表面张力。

29.根据权利要求25所述的方法，还包括通过基于地面绞车数据源的数据采集来计算线速度。

30.根据权利要求18所述的方法，还包括采集泵送速率数据。

31.根据权利要求18所述的方法，还包括使数据相关联以确定所述工具串的位置及所述工具串的井下速度。

32.根据权利要求18所述的方法，还包括调节所述绞车速度以匹配期望的速度。

33.根据权利要求18所述的方法，还包括使所述工具下降到期望的偏差。

34.根据权利要求18所述的方法，还包括经由泵控制器管理所述泵，以实现期望的工具张力。

35.根据权利要求18所述的方法，还包括经由泵控制器调节所述泵，和经由绞车控制器调节所述绞车，以实现期望的工具张力。

36.根据权利要求18所述的方法，其中，第二预定深度是井底深度。

37.根据权利要求18所述的方法，其中，泵控制器在第二预定深度处停用所述泵。

38.根据权利要求18所述的方法，其中，通过绞车控制器执行使所述工具停止在第二预定深度处。

39.根据权利要求18所述的方法，还包括选择全自动或半自动穿孔方法。

40.根据权利要求18所述的方法，还包括设置插头。

41.根据权利要求18所述的方法，还包括检测所述发射并停用所述射击电源。

42.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述第一预定射孔深度处在所述工具发射所述射击之后防止短路。

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