CN116670375A - 单能量源的射弹射孔系统 - Google Patents

Abstract

一种通过使用单一能量源将一个或多个射弹发射到套管和地层中来对钻井孔进行射孔的方法和设备。

Description

单能量源的射弹射孔系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年12月8日提交的美国临时申请No.63/122,872的优先权。

背景技术

通常，当完成用于从地下储层生产流体、矿物或气体的地下井时，作为钻井、勘探和完井过程的一部分，将若干类型的管形件放置在井下。这些管形件可以包括套管、导管、管道、药型罩(liner)和通过各种类型的管形件向井下输送的装置。每个井都是唯一的，因此，出于多种目的，可以将不同管形件的组合放入到井中。

地表下或地下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的主体。地层被视为连续体。在地层中可能存在烃类沉积物。通常，将从地面位置钻出钻井孔(wellbore)，从而将孔放置到所关注的地层中。完井设备将被放入适当位置，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中公知的用于从钻井孔获取地层中的烃类沉积物的方法。

使用聚能装药(shaped charge)对地层进行爆炸性射孔是用于完成油井的公知方法。聚能装药是一种装置的技术术语，当其引爆时会产生聚焦输出、高能量输出和/或高速射流。这部分地通过炸药的几何形状结合相邻的药型罩来实现。通常，聚能装药包括金属外壳，该金属外壳包含具有凹形形状的爆炸材料，其内表面具有薄的金属药型罩。药型罩使用许多材料；一些较常见的金属包括黄铜、铜、钨和铅。当炸药引爆时，药型罩金属被压缩成能够穿透金属、混凝土和岩石的过热、超高压射流。射孔装药通常成组使用。这些射孔装药组通常在称为射孔枪的组件中保持在一起。射孔枪有许多款式，例如脱模枪、弹座式射孔枪、孔塞枪和消耗性的空心载体枪。

射孔装药通常由在每个装药盒的顶点处的起爆孔附近的导爆索引爆。通常，导爆索终止于射孔枪的末端附近。在这种布置中，在射孔枪一端的引爆器可以引爆枪中的所有射孔装药，并继续将弹道转移到枪的另一端。以这种方式，许多射孔枪可以端对端地连接，用单个引爆器引爆所有射孔枪。

导爆索通常由通过点火头触发的引爆器引爆。可以以多种方式致动点火头，包括但不限于电子、液压和机械方式。

消耗性的空心载体射孔枪通常由标准尺寸的钢管制成，其阴螺纹端部在每一端具有内螺纹/阴螺纹。具有阳/外螺纹的销端适配器(adapter)或接箍(sub)在枪的一端或两端都带有螺纹。这些接箍可以将射孔枪连接在一起，将射孔枪连接到其它工具，例如安装工具和接箍定位器，并且将点火头连接到射孔枪。接箍通常装有电子、机械或弹道部件，用于启动或以其它方式控制射孔枪和其它部件。

射孔枪通常具有圆柱形枪体和装填装药的装药管或装载管。枪体通常由金属构成并且为圆柱形。装药管可以形成为管、条或链。装药管将包含被称为装药孔的切口，以容纳聚能装药。

通常优选的是减小要引入钻井孔中的任何工具的总长度。除了其它潜在的益处之外，减小的工具长度也减小了在压力下将工具引入钻井孔中所需的润滑器的长度。另外，为了适应高度偏斜的井或水平井中的转弯，也需要减小工具长度。通常还优选减少必须在井场执行的工具组装，因为井场通常是恶劣的环境，对现场工人产生许多干扰和要求。

电引爆器通常用于石油和天然气工业中，用于在井下引爆不同的高能装置。最通常地，使用50欧姆电阻器引爆器。其它引爆器和电子开关配置是常见的。

由于易于组装、提高效率和减少人为误差，模块化或“即插即用”射孔枪系统近年来变得越来越流行。大多数现有的即插即用系统或者(1)使用有线开关和/或雷管，或者(2)需要容纳雷管、开关、电触点和可能的压力舱壁的引爆“弹药筒”。有线连接的开关/雷管的选项是不太理想的，因为枪的组装者必须进行导线连接，这容易出现人为错误。引爆弹药筒的选项是不太理想的，因为引爆弹药筒可能是与标准雷管相比更大的爆炸装置，因此在用户设备处占用了额外的弹仓空间。因此需要一种模块化射孔系统，其中用户不需要进行导线连接，并且开关和压力舱壁预先组装在枪组件中而不是在引爆弹药筒中。用于所提出系统的雷管没有导线，并且允许由用户在现场简单地击发。

发明内容

示例性实施例可包括射孔枪系统，该射孔枪系统包括：圆柱形壳体，其具有中心轴线、外表面、内部压力腔室、从内部压力腔室轴向延伸并终止于圆柱形壳体的第一端的圆柱形通孔；设置在压力腔室内的能量源；多个圆柱形孔口，从通孔径向延伸到圆柱形壳体的外表面；多个射弹(projectile)，每个射弹设置在多个圆柱形孔口中的每一个中；多个压力密封件，每个压力密封件设置在多个圆柱形孔口中的每一个中；以及端盖压力密封件，该端盖压力密封件封盖圆柱形通孔的终止于所述第一端的端部，其中能量源产生气体，其压力足以推动多个射弹穿过压力密封件并进入围绕射孔枪系统的套管中。

示例性实施例的变型可包括：多个圆柱形孔口中的每一个与圆柱形壳体的中心轴线相切延伸。多个圆柱形孔口中的每一个可以与圆柱形壳体的中心轴线以不垂直的角度延伸。多个圆柱形孔口中的每一个可从圆柱形壳体的中心轴线非线性地延伸。多个圆柱形孔口可具有在每个圆柱形孔口之间围绕圆柱形壳体的中心轴线的相位角。多个圆柱形孔口可以处于单个相位。多个圆柱形孔口可以在单个平面中。多个圆柱形孔口可以在多个平面中。圆柱形壳体可以是包含压力腔室的第一圆柱形壳体，其联接到包含多个圆柱形孔口的第二圆柱形壳体。第一圆柱形壳体可以具有阳螺纹端，阳螺纹端接合到第二圆柱形壳体的阴螺纹端中。第一圆柱形壳体可具有内腔，该内腔接合到第二圆柱形壳体的插头端部中。

示例性实施例可包括射孔枪系统，该射孔枪系统包括：第一圆柱形壳体，其具有外表面、内部压力腔室、从内部压力腔室轴向延伸并终止于第一圆柱形壳体的第一端的圆柱形通孔；与第一圆柱形壳体串联联接的第二圆柱形壳体，该第二圆柱形壳体具有外表面、圆柱形通孔和从通孔径向延伸到第二圆柱形壳体的外表面的多个圆柱形孔口，其中第一圆柱形壳体和第二圆柱形壳体两者共享共同的中心轴线；设置在压力腔室内的能量源；多个射弹，每个射弹设置在多个圆柱形孔口中的每一个中；多个压力密封件，每个压力密封件设置在多个圆柱形孔口中的每一个中；以及端盖压力密封件，该端盖压力密封件封盖圆柱形通孔的终止于第二圆柱形壳体的端部处的端部，其中能量源产生气体，其压力足以推动多个射弹穿过压力密封件并进入围绕射孔枪系统的套管中。

示例性实施例的变型可包括：多个圆柱形孔口中的每一个与圆柱形壳体的中心轴线相切地延伸。多个圆柱形孔口中的每一个可以与第二圆柱形壳体的中心轴线以不垂直的角度延伸。多个圆柱形孔口中的每一个可从第二圆柱形壳体的中心轴线非线性地延伸。多个圆柱形孔口可具有在每个圆柱形孔口之间围绕第二圆柱形壳体的中心轴线的相位角。多个圆柱形孔口可以处于单个相位。多个圆柱形孔口可以在单个平面中。多个圆柱形孔口可以在多个平面中。圆柱形壳体可以包括第一圆柱形壳体，该第一圆柱形壳体具有阳螺纹端，该阳螺纹端接合到第二圆柱形壳体的阴螺纹端中。第一圆柱形壳体可具有内腔，该内腔接合到第二圆柱形壳体的插头端部中。

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，其中在附图的若干图中，附图标记始终表示相同或类似的元件。简要地说：

图1示出了具有由单个非接触源激励的多个射弹的示例实施例；

图2示出了示例实施例，其中源可以是多个几何配置，包括符合任意路径；

图3显示了具有非居中路径的示例性实施例；

图4示出了具有非线性路径的示例性实施例；

图5示出了具有外部压力密封件的示例性实施例；

图6示出了具有内部压力密封件的示例性实施例；

图7示出了具有开放孔口的示例性实施例；

图8示出具有可堆叠的多件式射弹腔室的示例性实施例；

图9示出具有多件式射弹腔室的示例性实施例；

图10示出了具有多个射孔平面的示例性实施例；

图11示出了具有单个射孔平面的示例性实施例；

图12示出了射孔射弹具有多个相位的示例性实施例；

图13示出了射孔射弹具有单一相位的示例性实施例；

图14示出了具有相对于钻孔的轴线成角度的或非垂直的射弹方向的示例性实施例；

图15示出了具有从腔室到出口的非线性或弯曲的发射路径的示例实施例。

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。其中并不意味着不必要的限制，并且这些术语仅用于描述性目的，并且旨在被广泛地解释。本文描述的不同装置、系统和方法步骤可以单独使用或与其它装置、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、替换物和修改都是可能的。

诸如扩爆器的术语可以包括容纳有卷曲到导爆索的端部上的次高能炸药的小金属管。该炸药组件被设计成在射孔枪或其它爆炸装置之间提供可靠的爆炸传递，并且通常用作辅助炸药以确保爆炸。

导爆索是一种包含套在柔性外壳中的高能炸药的索，其用于将雷管连接到主高能炸药，例如聚能装药。这提供了一种可以用于同时引爆多个聚能装药的非常快速的引爆序列。

雷管或引爆装置可以包括含有主高能炸药材料的装置，用于引爆炸药序列，包括一个或多个聚能装药。两种常见类型可包括电雷管和撞击雷管。雷管可以被称为引爆器。电雷管具有引信材料，当施加高电压以引爆主高能炸药时，这种材料会燃烧。撞击雷管在由撞针致动的密封容器中包含磨料颗粒和主高能炸药。撞针的冲击足以启动弹道序列，其随后传递到导爆索。

示例性实施例公开了一种使用单个或多个射弹对套管射孔的方法，射弹由位于共用气体/压力腔室中的单个非接触源激发。当启动时，源产生压力。由于压力源的大尺寸和开放腔室的小尺寸，压力快速但非瞬时地达到高水平。压力沿着路径向下传递。压力施加到单个/多个紧密配合的射弹的后部。当射弹在工具的腔室中向下移动时，它们的速度增加。当达到足够的压力时，射弹被推出工具，在工具中射穿一系列套管。

示例性实施例公开了一种使用多个射弹对套管射孔的方法，射弹由单个源激发：共用气体/压力腔室。示例性实施例公开了一种使用由非接触源激发的单个或多个射弹对套管射孔的方法。

该源可以是烟火或高能炸药。该源可以是液体、固体、气体或粒状物质。该源可以是瞬时压力释放或缓慢的压力累积。该源可以由多种成分组成。该源可以是任何几何形状，包括圆柱形或符合任意路径。

例如图3和图4所示，包含射弹的工具可以具有居中、偏心或非线性孔。如图3和图4所示，它可以具有非线性压力路径。如图5-图7所示，它可以具有对钻井孔流体的内部或外部压力密封或开放。它可以是一次性或多次性使用的工具。如图8-图9所示，它可以具有可堆叠的单元以增加更多的发射。它可以填充有流体、泡沫或凝胶。它可以具有预先存在的内部压力。它可以具有压力破裂膜。它可以具有如图8-9所示的多件射弹腔室。它可以具有射弹在其中行进的光滑/钻孔/开槽的路径/腔室。它可以具有非线性或弯曲的射弹路径/腔室，如图15所示。它可以具有开放或封闭的末端。它可以使压力作用在单独的物体上，然后该物体将作用在枪弹上。

如图10-图11所示，射弹的结构可以是在单个平面上或多个平面上。如图12-图13所示，它可以是单相或多相的。如图14所示，它可以是倾斜的(不是在直角的或垂直于枪或其中心轴线)。

射弹可以是固体的、粉末状的或易碎的。射弹可以是金属、陶瓷、复合材料或塑料。射弹可以具有外壳。射弹可以是圆形、正方形、矩形或角形的。射弹可以与其它材料一起装在弹筒中。射弹可以是预先装配的。射弹可以在每个腔室中具有多个射弹。射弹可以固定在适当位置或浮动。射弹可以是预先装填的或由客户装填的。射弹可以通过磁体保持在适当的位置。射弹可以是可分解的。

图1示出了具有由单个非接触源激发的多个射弹的示例实施例。在该实例中，射孔枪10位于井套管11内。射孔枪10具有顶部接箍15，该顶部接箍具有形成压力腔室17的圆柱形开口，该压力腔室包含用于产生加压气体的能量源16。顶部接箍15具有销端20。顶部接箍15具有中心轴线50。气体路径18提供压力腔室17和多个孔口19之间的连通。每个射弹开口19包括射弹12和压力密封件13。另一个压力密封件14密封路径18的端部。以点燃或以其它方式启动从能量源16以加压气体的形式释放能量，在压力腔室17中建立压力，该压力对路径18加压，并因此对位于孔口19内的射弹12加压。压力继续增大，直到压力密封件13失效，从而允许射弹12以足够的能量离开孔口19，以穿透套管11并超出套管11后面的地层内的期望距离。

图2示出了示例实施例，其中源可以是多个几何形状，包括符合任意路径。在该实例中，射孔枪10位于井套管11内，射孔枪10具有顶部接箍15，该顶部接箍具有形成压力腔室17的圆柱形开口，该压力腔室包含能量源16a-d，提供了用于产生加压气体的能量源的不同构造的不同实例。气体路径18提供压力腔室17和多个孔口19之间的连通。每个射弹开口19包括射弹12和压力密封件13。另一个压力密封件14密封路径18的端部，以点燃或以其它方式启动从能量源16a-d以加压气体的形式释放能量，在压力腔室17中建立压力，该压力对路径18加压，并因此对位于孔口19内的射弹12加压。压力继续增大直到压力密封件13失效，从而允许射弹12以足够的能量离开孔口19，以穿透套管11并超出套管11后面的地层内的期望距离。

图3显示了具有非居中路径18的示例性实施例。

图4示出了具有非线性路径18并且路径18的端部没有压力密封件的示例性实施例。

图5示出了具有外部压力密封件13的示例性实施例，而图6示出了具有内部压力密封件13的示例性实施例。在该示例性实施例中，压力建立抵抗内部压力密封件13，直到使压力密封件13失效的临界压力，从而使射弹12承受爆炸量的压力，该爆炸量的压力能够使射弹12穿透套管11并超过进入地层。

图7示出了具有开放孔口19的示例性实施例，在该构造中，压力在压力腔室17中累积，直到达到可克服位于内部的压力密封件14的临界压力，对于每个没有单独的压力密封件孔口19，一旦压力超过压力密封件14，爆炸压力就将射弹12推入套管11中并超出套管。

图8示出了具有可堆叠的多件式射弹腔室的示例性实施例。在该实例中，第一接箍21具有阳螺纹端23，阳螺纹端23联接到第二接箍22的阴螺纹端24。第二接箍22具有阳螺纹端25，路径18穿过第一接箍21和第二接箍22，其终止于压力密封件14。在该实例中，在第一接箍21和第二接箍22中均存在孔口19，然而，可存在其中孔口全部在第一接箍21或第二接箍22中的配置。

图9示出具有多件式射弹腔室的示例性实施例。在该示例中，具有第一接箍30和第二接箍31，第一接箍30具有内腔32，接收第二接箍31的插头端33。第二接箍31具有端盖34。在该示例中，路径18穿过第一接箍30并进入第二接箍31，在第二接箍31处，路径18抵靠端盖34终止。第二接箍31可以是一个以上的零件，例如插头部分是第一零件，端盖是第二零件。孔口19穿过第一接箍30和第二接箍31，在这个例子中，压力密封件13位于第一接箍30中，而射弹12位于第二接箍31中。

图10示出了具有多个穿孔平面的示例性实施例。在这个例子中，射弹12和孔口19在第一平面41或第二平面42内对准，这示出了多个平面，并且可以有比所示两个更多的平面。

图11示出了具有单个穿孔平面的示例性实施例。在这个例子中，射弹12和孔口19在第一平面41内对准。

图12示出了一个示例性实施例，其中射弹12和孔口19对准以在多个相位中提供射孔。

图13示出了一个示例性实施例，其中射弹12和孔口19对准以在单一相位中提供射孔。

图14示出了一个示例性实施例，其中射弹12和孔口19与顶部接箍15的中心轴线成角度，或者不垂直于该中心轴线，从而允许射弹12的射孔方向在不垂直于顶部接箍的中心轴线的方向上射孔。

图15示出了一个示例性实施例，其具有从腔室到出口的非线性路径50和51，或者弯曲的发射路径，使得射弹12在离开顶部接箍15之前沿非线性路径行进。这在直径受限妨碍了较传统的垂直孔口的情况下是期望的。例如，射弹12可以首先沿着顶部接箍15的长度加速，然后弯曲以离开工具并穿过套管11。

引爆器可以用于启动射孔枪、切割器、安装工具或其它井下能量装置。例如，切割器用于利用聚焦能量切割管件。安装工具是使用烟火来产生气体以在井下工具中执行工作。任何使用引爆器的井下装置可以适用于本文所公开的模块化引爆器组件。

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方向进入钻井孔，但是由于一些钻井孔最终水平，工具的方向可能改变。在这种情况下，井下、下部或底部通常是工具串中的部件，其在称为井上、上部或顶部的部件之前进入钻井孔。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互换，因为它们仅用于描述各种部件的位置关系。诸如钻井孔、钻孔、井、孔、油井和其它替代术语可以同义地使用。诸如工具串、工具、射孔枪串、枪串或井下工具等术语以及其他替代术语可以同义地使用。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然。因此，在不脱离所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 (20)

1.一种射孔枪系统，包括：

圆柱形壳体，其具有外表面、中心轴线、内部压力腔室、从所述内部压力腔室轴向延伸并且终止于所述圆柱形壳体的第一端的圆柱形通孔；

设置在所述压力腔室内的能量源；

多个圆柱形孔口，所述多个圆柱形孔口从所述通孔径向延伸到所述圆柱形壳体的外表面；

多个射弹，每个射弹设置在所述多个圆柱形孔口中的每一个中；

多个压力密封件，每个压力密封件设置在所述多个圆柱形孔口中的每一个中；以及

端盖压力密封件，所述端盖压力密封件封盖所述圆柱形通孔的终止于所述第一端的端部，其中能量源产生气体，其压力足以推动所述多个射弹穿过所述压力密封件并进入围绕所述射孔枪系统的套管中。

2.根据权利要求1所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口中的每一个与所述圆柱形壳体的中心轴线相切地延伸。

3.根据权利要求1所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口中的每一个与所述圆柱形壳体的中心轴线以不垂直的角度延伸。

4.根据权利要求1所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口中的每一个从所述圆柱形壳体的中心轴线非线性地延伸。

5.根据权利要求1所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口在每个圆柱形孔口之间具有围绕所述圆柱形壳体的中心轴线的相位角。

6.根据权利要求1所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口处于单个相位。

7.根据权利要求1所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口在单个平面中。

8.根据权利要求1所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口在多个平面中。

9.根据权利要求1所述的射孔枪系统，其中，所述圆柱形壳体为包含所述压力腔室的第一圆柱形壳体，所述第一圆柱形壳体联接到包含所述多个圆柱形孔口的第二圆柱形壳体。

10.根据权利要求9所述的射孔枪系统，还包括：所述第一圆柱形壳体具有阳螺纹端，所述阳螺纹端接合到所述第二圆柱形壳体的阴螺纹端中。

11.一种射孔枪系统，包括：

第一圆柱形壳体，其具有外表面、内部压力腔室、从所述内部压力腔室轴向延伸并且终止于所述第一圆柱形壳体的第一端的圆柱形通孔；

第二圆柱形壳体，其与所述第一圆柱形壳体串联联接，具有外表面、圆柱形通孔和从所述通孔径向延伸到所述第二圆柱形壳体的外表面的多个圆柱形孔口，其中所述第一圆柱形壳体和所述第二圆柱形壳体两者共享共同的中心轴线；

设置在所述压力腔室内的能量源；

多个射弹，每个射弹设置在所述多个圆柱形孔口中的每一个中；

多个压力密封件，每个压力密封件设置在所述多个圆柱形孔口中的每一个中；以及

端盖压力密封件，所述端盖压力密封件封盖所述圆柱形通孔的终止于所述第二圆柱形壳体的端部处的端部，其中，能量源产生气体，其压力足以推动所述多个射弹穿过所述压力密封件并进入围绕所述射孔枪系统的套管中。

12.根据权利要求11所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口中的每一个与所述第二圆柱形壳体的中心轴线相切地延伸。

13.根据权利要求11所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口中的每一个与所述第二圆柱形壳体的中心轴线以不垂直的角度延伸。

14.根据权利要求11所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口中的每一个从所述第二圆柱形壳体的中心轴线非线性地延伸。

15.根据权利要求11所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口在每个圆柱形孔口之间具有围绕所述第二圆柱形壳体的中心轴线的相位角。

16.根据权利要求11所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口处于单个相位。

17.根据权利要求11所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口在单个平面中。

18.根据权利要求11所述的射孔枪系统，其中，所述多个圆柱形孔口在多个平面中。

19.根据权利要求11所述的射孔枪系统，还包括：所述第一圆柱形壳体具有阳螺纹端，所述阳螺纹端接合到所述第二圆柱形壳体的阴螺纹端中。

20.根据权利要求11所述的射孔枪系统，还包括：所述第一圆柱形壳体具有内腔，所内腔接合到所述第二圆柱形壳体的插头端中。