CN1886574A - 关于油井穿孔器的改进 - Google Patents

Abstract

一种能在起爆后产生放热反应的油气井的定型药包穿孔器，包括一个套筒、一种高性能炸药和一个起反应的衬套，其中炸药安置在起反应的衬套和套筒之间。该起反应的衬套是用一种能在形成切割射流期间支持放热反应的组分制造的。该组分可以选自适用于油气井穿孔器的任何已知的配方。通常该组分包括至少一种金属和至少一种非金属，其中该非金属选自一种金属氧化物或来自第III族或第IV族的任何非金属或至少两种金属例如形成一种金属间反应。通常本发明中的至少一种金属可以选自Al、Ce、Li、Mg、Mo、Ni、Nb、Pb、Pd、Ta、Ti、Zn或Zr。该衬套组分可以最好是一种压制的微粒状组分，使得该组分在压力下固结而形成所要的衬套形状。为了帮助固结，也可以加入一种粘合剂。

Description

关于油井穿孔器的改进

发明领域

本发明涉及一种用于穿孔器的起反应的定型药包衬套，该穿孔器用于成井的穿孔和破裂。

发明背景

在一加套筒的井中完成成井作业的最重要的过程是在生产区(也称为岩层)和井孔之间形成一流动路径。通常，提供这样一条流动路径是利用一个穿孔器来完成的，最先在该套筒中产生一孔，然后经过一个粘结层而实际穿入该岩层，该过程通常称为穿孔。虽然机械穿孔装置是已知的，但几乎占压倒优势的是，此类穿孔是利用高能物质来形成的，因为它容易使用和速度快。高能物质也能给出额外的优点，即它们可以对井产生激发作用，在于通入该岩层的冲击波能增强穿孔的有效性并产生来自该岩层的增大的流量。通常，这样一种穿孔器将采取定型药包的形式。下面，除非以别的方式限定，否则提及任何穿孔器都应当指一种异形的装药穿孔器。

一种异形的装药器是一种高能装置，由一个其中安置一通常为金属的衬套的套筒构成。该衬套形成一个空腔的内表面，其余表面由该套筒形成。该空腔充满炸药，当引爆时，炸药使衬套材料崩塌而以材料的高速射流形式从套筒排出。该射流冲击该井的套筒而产生一孔，然后该射流继续穿入该岩层本身，直到射流的动能被该岩层中的物质克服。该衬套可以是半球形的，但在大多数穿孔器中大体上为圆锥形。该衬套和高能物质通常封闭在一金属套筒中，传统上该套筒为钢，虽然可以优选其它合金。在使用中，如已提到的，该衬套被排出而形成一极高速的射流，该射流具有巨大的穿透力。

通常，在靠近该岩层的套筒的特定区域中需要许多穿孔。为此，用钢缆、挠性管或该技术的专业人员已知的任何其它技术将一所谓的枪配置到该套筒内。该枪实际上是多个可以为相同或不同输出功率的穿孔器的承载器。穿孔器的具体类型、其数目和枪的尺寸通常决定于成井作业工程师对要完成成井作业的特性的分析和/或评估。通常，完成成井作业的工程师的目标是在该套筒中获得一个尺寸合适的孔以及尽可能深地穿透到周围岩层中。可以理解，该岩层的性质既可能因每次作业而不同，也可能在一次特定的作业范围内变化。在许多情况下，高度需要该穿孔地层的断裂。

通常，穿孔器的装药、穿孔器数目和在抢内的配置以及枪的类型的实际选择是由完成成井作业的工程师决定的。在大多数情况下，这种决定是以对完成成井作业地区的特定岩层的知识和经验所产生的半经验手段为基础的。但是，为了帮助工程师选择，已发展了用于确定单个穿孔器性能特征的一系列试验和程序。这些试验和程序是通过美国石油协会(API)由企业发展的。在这方面，目前可用于从WWW.api.org下载的API标准RP19B(原先为RP43第五版)被穿孔器界广泛用作穿孔器性能的指示。穿孔器制造商通常使用该API标准来营销其产品。因此，完成成井作业的工程师能够在不同制造商的产品中选择一种其性能是特定岩层所需要的穿孔器，在进行选择中，该工程师可以坚信他从该选定的穿孔器所期望的性能的类型。

然而，尽管存在这些试验和程序，但仍有这样一种认识，即完成成井作业的工程师心中更多的是技术而非科学。本发明的发明人认识到，目前对完成成井作业的手段的保守天性不可能在完成成井作业所需的工程途径中发生变化而从直接向前和综合的完成成井作业两方面扩大和提高生产。

有许多广为人知的定型药包的设计，但是，很多设计仅仅是对炸药的压缩密度或衬套的锥角的增量变化。研究工作的最大领域主要集中在通过选择金属衬套、衬套形状、套筒、高性能炸药的类型及其点燃方法而改进穿透程度。从一种定型药包来的射流的动能是由迫使衬套崩塌的炸药的爆炸压力唯一地提供的。这转而导致衬套材料被高速排出。一旦射流处于运动中，就不再有从系统来的可用能量。

在过去已经研究了贫化铀(du)定型药包，但其使用即使在军事角度也被认为对环境地面产生争议的问题。贫化铀基本上是仅带约0.3％的铀235的铀238。当与所有其它衬套材料相比时，贫化铀射流除了卓越的穿透力之外还有一个优点，就是该射流可以被看作是自燃的。通过给予额外的能量和对目标造成额外的损伤，这可以提供一些额外的射流/目标和/或目标/穿甲的优点。该额外的能量在石油天然气工业中对于使地层断裂是极其有用的。但是，在诸如油气田穿孔之类的商业用途中使用轻度放射性的物质被认为是不合适的。

因此希望生产一种定型药包衬套，其射流能在爆炸后产生额外的能量而不需要使用放射性的成分。

发明概要

因此，按照本发明的第一方面，提供一种产生反应的定型药包衬套，其中，制造衬套的组分能够在激活该异形的装药衬套时发生放热反应。

为了获得该放热输出，该衬套组分最好包括至少两种成分，它们当供给足够的能量(即超过放热反应的触发能量的能量值)时将起反应而产生大量的能量，通常为热量形式。该衬套的放热反应可以利用至少两种金属的典型的化学计量(克分子)混合物来获得，这两种金属在激活该异形的装药衬套时能够产生一种金属间产物和热量。通常该反应只涉及两种金属，但是已知有涉及多于两种金属的金属间反应。或者是，该衬套组分可以包括至少一种金属和至少一种非金属，该非金属可以选自一种金属氧化物如氧化铜、氧化钼或氧化镍或者任何第III族或第IV族的非金属如硅、硼或碳。涉及燃料和氧化剂的反应混合物的燃烧的烟花配方是众所周知的。但是，许多此类组分如枪炮火药不能提供合适的衬套材料，因此它们没有所需的密度或机械强度。

下面是当化合和遇到激发如热量或电火花时产生放热反应的元素的不完全的清单，可以选用于反应的衬套中：

Al和Li或S或Ta或Zr之一

B和Li或Nb或Ti之一

Ce和Zn或Mg或Pb之一

Cu和S

Fe和S

Mg和S或Se或Te之一

Mn和S或Se

Ni和Al或S或Se或Si之一

Nb和B

Mo和S

Pd和Al

Ta和B或C或Si之一

Ti和Al或C或Si之一

Zn和S或Se或Te之一

Zr和B或C

有许多只包含金属元素的组分和包含金属和非金属元素的组分当混合和加热超过反应的触发能量时会如上所述地产生大量热能而且还提供机械强度足够的衬套材料。因此该组分可以包括一种选自Al、Ce、Li、Mg、Mo、Ni、Nb、Pb、Pd、Ta、Ti、Zn或Zr的金属，它们已知与其它金属或非金属混合时能产生放热反应，其化合易于为高能配方技术的专业人员所理解。优选的金属-金属组分是以化学计量的量混合的镍和铝或钯和铝。该技术的专业人员很容易理解，除了化学计量比以外的其它比例也可提供放热反应，因而本发明不限于化学计量混合物。当以计算的相应比例来提供两种金属而给出1.5的电子浓度也即3个价电子对2个原子的比例如上述NiAl或PdAl时，这些衬套能给出特别有效的结果。

作为例子，本发明的重要特点是NiAl仅当该混合物经历＞～14Gpa的冲击波时才反应。这使该粉末形成带有显著输出能量的中间金属NiAl。

有许多中间金属的合金反应是放热的而在烟花用途中获得应用。例如铝和钯之间的合金反应释放327cals/g，而产生化合物NiAl的铝/镍体系释放329cals/g(2290cas/cm³)。作为比较，在爆炸时TNT炸药的总能量释放为约2300cals/cm³，因此该反应产生与TNT的爆炸相似的能量密度，但当然不释放气体。生成热在293°K时为约17000cal/mol，显然是由于在两种不相似的金属之间生成新的共价键。在一次定型药包中，该能量在射流中产生并可用来卸放到目标地层中，当与不起反应的射流比较时，能在目标中造成更大的损伤。

Pd/Al体系可以通过将丝状或片状的钯和铝在一起冷锻而简单地应用，但Al和Ni只能作为粉末混合物而反应。

但是，钯是一种非常昂贵的铂系金属，因此镍-铝具有显著的经济价值的优点。对镍/铝粉末混合物的冲击诱导的化学反应的经验和理论研究表明，反应的阈值压力为约14Gpa。该压力在用于定型药包用途的现代炸药的冲击波中是易于获得的，因此Ni/Al可用作一种定型药包衬套而给出起反应的高温射流。该射流的温度估计为2000°K。两种组分金属的粒径对形成的定型药包射流是获得最佳性能的重要特点。微米和纳米粒径的铝粉和镍粉两者均有商售，而其混合物将遇到一次快速的自持的放热反应。一股热的Ni/Al射流应当对一定范围的目标物质高度反应，尤其应当能剧烈地侵蚀水合硅酸盐。此外，当在穿透一个目标后而在空气中分散时，该射流应当随后在空气中遇到放热燃烧，因而产生爆炸增强或穿甲效应。

对于像PdAl的一些材料，从定型药包衬套得到的所要反应可以通过利用分开的材料的冷轧板形成该组分从而形成该衬套来得到，该衬套然后可以用任何方法包括在车床上机加工而抛光。PdAl衬套也可以通过将该组分制成一生坯来制备。在AlNi的情况下，只有当衬套用新鲜压紧的粉末混合物制成时才会产生反应。显然，必须考虑在形成该衬套期间传递给反应物质的机械能或热能，从而避免不需要的放热反应。在压制而形成一生坯衬套的情况下，可能需要一种粘合剂，后者可以是任何粉末状的金属或非金属材料。该粘结剂最好包括一种聚合物材料，如硬脂酸盐、石蜡或环氧树脂。或者是该粘合剂选自一种高能粘合剂如硝化缩水甘油基聚合物(Glycidyl nitrate polymer或Polyglyn)、叠氮缩水甘油基聚合物(Glycidyl azide polymer或GAP)或3-硝化甲基-3-甲基环氧丙烷聚合物(3-nitratomethyl-3-methyloxetame polymer或Polynimmo)。该粘合剂也可选自硬脂酸锂或硬脂酸锌。方便的是，形成该组分一部分的至少一种金属可以涂敷上述粘合剂物质之一。通常该粘合剂不管它用于预涂敷一金属或直接混入包含一金属的组分中，都可以处于1～5％(质量)的范围内。

当使用一种微粒状组分时，微粒的直径(也称为“粒径”)在材料的固结中起重要作用，因而影响衬套的压制密度。最好是，衬套的密度要尽可能高，以产生一个形成射流的更有效的孔。最好是，微粒的直径约为1～10μm，但也可使用直径为1μm或更小的微粒，甚至纳米尺寸的微粒。此处提到的具有小于0.1μm的粒径的材料称为“纳米晶体材料”。

有利的是，如果一种起反应的衬套的组分中的金属如镍和铝或钯和铝的粒径小于10μm甚至最好小于1μm，那么由于表面积大大增加，衬套的反应性能以及因而其放热反应速率将显著提高。因此，一种由易于买到的材料(如早先公开的)制成的组分可以提供这样一种衬套，该衬套不仅具有如炸药提供的切削射流的动能，而且具有从该组分的放热化学反应产生的额外的热能，从而提供贫化铀的更高能更安全的替代物。

在微粒粒径小于0.1μm时，这些组分作为定型药包衬套材料就越加有吸引力，原因是由于反应组分的极大相对表面积而其放热输出值甚至还增大。

衬套的厚度可以选自任何已知的或普通使用的衬套壁厚度。该衬套壁厚度通常表达为与衬套的底部直径有关，并优选地选自衬套直径的1～10％，更优选地为衬套直径的1～5％。在一种装置中，衬套的壁可以有锥形厚度，比如衬套顶点的厚度比衬套底部的厚度小，或者衬套顶点的厚度显著地大于向着其底部的衬套壁厚。另一种情况是，衬套的厚度沿其表面积并不均匀，比如产生一种不均匀的渐小的厚度或多个凸出部和基本上空的区域，从而产生厚度可变的区域，该区域可以完全或部分穿过衬套的表面积，允许选择射流的速度和切削效率来满足手头完成成井作业的条件。

该衬套的形状可以选自任何已知的或通常使用的定型药包衬套的形状，如基本上为锥形或半球形。

在另一种配置中，可以希望，该衬套还包括至少一种另外的金属，当定型药包激活时，该至少一种另外的金属不参加放热反应。因此该额外的金属被认为是惰性的而可以选自任何通常使用的或已知的定型药包衬套的金属。增加另一种金属的目的是提供衬套的额外的机械强度并因而提高射流的穿透能力。钨和铜作为定型药包衬套的性能是众所周知的，它们由于其高密度和延展性而通常用作衬套材料，这些性能传统上使它们成为为此目的的所要材料。因此，还可以希望在本发明的起反应的衬套中包括一部分铜或钨或其合金，以便增大衬套的强度并因而提供更强有力的射流。该情性金属或者可以混合而均匀地分散在起反应的组分内，或者生产的衬套可以有两层，一层惰性金属被一层起反应的衬套组分所覆盖，然后可以用上述压制技术之一压制。

也可以通过一个等离子体电弧反应器来生产组成纳米晶体微粒的超细粉末，如PCT/GB01/00 553和WO 93/02787中所述。

在另一方面，本发明包括一种适用于井底用途的定型药包品，后者包括一个套筒、一定量的高性能炸药和一个置于套筒内的如上所述的衬套，该炸药置于衬套和套筒之间。

在使用中该起反应的衬套传递从放热反应产生的额外的热能，这种额外的热能可促使完成成井作业产生困扰和中断。又一优点是，起反应的衬套的材料可以被消耗，使得在刚形成的孔中不留下衬底材料的残屑，某些衬套可能是这种情况。

最好该套筒用钢制成，虽然该套筒可以部分地或全部通过上述压制技术之一用起反应的衬套组分之一制成，使得在爆炸时该套筒可以被反应消耗掉而减少生成碎片之类事情。

该高性能炸药可以选自一系列高性能炸药产品，如RDX、TNT、RDX、TNT、HMX、HMX/RDX、TATB、HNS。很容易理解，在本发明中可以使用任何被分类为高性能炸药的合适的高能物质。但是某些类型的炸药由于在井孔中经受的升高温度而优先用于油井穿孔器。

衬套在最宽处(即敞开的端部)的直径或者可以基本上是套筒的相同直径，使得它被认为是一种全口径衬套，或者该衬套可以选择为亚口径，使得该衬套的直径为全直径的80～95％。在一带有全口径衬套的典型的锥形装料器中，装载在衬套底部和该套筒之间的炸药是非常少的，使得在使用中该锥体的底部将只经受最小量的装载。因此在一亚口径衬套中，在衬套的底部和套筒之间可以放置更大量的高性能炸药，从而保证更大比例的衬套底部转化为切削射流。

穿透到所完成的作业中的深度是所完成成井作业的工程的关键因素，因此通常希望起爆的这些穿孔器垂直于该套筒，以获得最大穿透，同时如先有技术中强调的，这些穿孔器也互相垂直，以获得每次爆破的最大深度。另外，在申请人的共同申请中，希望安置和对准至少两个穿孔器，使得切削射流将在同一点处或其附近覆盖、横切或撞击。

上述穿孔器可以直接插入任何地下井中，但是通常希望将穿孔器包括在一杆枪中，以便允许将多个穿孔器配置在作业中。

按照本发明的另一方面，本发明提供一种改善从一口井外流流体的方法，包括使用至少一个按照本发明的衬套、穿孔器或穿孔枪来对该井穿孔的步骤。由于改进了所产生的穿孔，流体外流得到改善，

附图简述

为了有助于理解本发明，现在仅作为例子并参照附图来描述其若干个实施例，附图中：

图1是按照本发明的一个实施例沿一个包含一个部分顶点插入物的定型药包装置的纵轴线的截面图。

详细描述

如图1中所示，一种大体上传统构型的通常轴对称地围绕中心线1的定型药包的截面图包括一个基本上圆筒形的套筒2，后者用金属、聚合物、GRP或按照本发明的进行反应的材料制成。按照本发明的衬套6的壁厚通常为衬套直径的1～5％，但在极端情况下可以大到10％。衬套6紧密地装入圆筒形套筒2的开口端8。高爆炸性物质3安置在套筒和衬套之间包围的容积中。高爆炸性物质3在该装置的封闭端部靠近衬套的顶点7处通常用安置在凹部4中的雷管或引爆索起爆。

衬套的合适原材料包括一种带有0.75～5(重量)％的粉末状粘合剂物质的1～10微米直径的粉末状镍和铝的化学计量混合物。该粘合剂物质包括如前所述的材料。通过任何上述工艺可以获得纳米晶体的粉末组分材料。

通过观察下列事实可以推导出合适的中间金属化合物的其它例子，就是上述NiAl化合物是一种化合物的一个例子，当指定惯常的价时，该化合物对应于三个价电子对两个原子的比例，也就是，电子浓度为3/2＝1.5。NiAl和PdAl两者是掉入该范畴内的显示同一晶体结构的中间金属化合物的特定例子，虽然也可使用具有同一特性的电子浓度的其它化合物。因此，该范畴内的其它候选化合物包括(例如)CuZn、Cu₃Al和Cu₅Sn，但不包括(例如)Ni₂Al。Ni₂Al。没有三个价电子对两个原子的比例而只是一种化合物混合物。金属的特定选择可以按照重量和特定化合物的势能释放来进行。

金属的特定商业选择也可以受费用的影响，在这方面可以注意到，与某些其它候选金属相比，Ni和Al两者均不贵且易于买到。在试验中发现，使用NiAl能得出良好结果。其次，NiAl衬套的制造工艺也相当简单。

一种制造衬套的方法是，在模具中压制一定量的紧密混合的粉末来生产作为生坯的成品衬套。在按照本专利的其它情况下，可以在上述同一方式下使用不同的紧密混合的粉末，但生坯产品是一种近似净形状，可以进行某种形式的烧结或浸渗工艺。

该技术的专业人员显然可以对具体描述的本发明进行修改，这些修改被认为包括在本发明的范围内。例如，产生一种细粒衬套的其它方法将是合适的。

Claims (27)

1.一种包括两种金属的化学计量组分的反应式定型药包衬套，在操作中，该衬套在相关的异形的装药的激活下能够产生放热反应，其中这两种金属以各自的计算比例来提供以给出1.5的电子浓度。

2.一种按照权利要求1的衬套，其特征在于，这两种金属之一是铝。

3.一种按照任何上述权利要求的衬套，其特征在于，这两种金属之一选自镍和钯。

4.一种按照任何上述权利要求的衬套，其特征在于，该组分是一种压制的特定组分。

5.一种按照任何上述权利要求的衬套，其特征在于，加入一种粘合剂以有助于固结。

6.一种按照任何上述权利要求的衬套，其特征在于，这些金属中的至少一种涂有粘合剂，以有助于固结。

7.一种按照权利要求5或6的衬套，其特征在于，该粘合剂选自一种聚合物。

8.一种按照权利要求7的衬套，其特征在于，该聚合物选自硬脂酸酯、石蜡或环氧树脂。

9.一种按照权利要求7的衬套，其特征在于，该聚合物是一种高能聚合物。

10.一种按照权利要求9的衬套，其特征在于，该高能粘合剂选自硝化缩水甘油基聚合物Polyglyn、叠氮缩水甘油基聚合物GAP或3-硝化甲基-3-甲基环氧丙烷聚合物Polynimmo。

11.一种按照权利要求5或6的衬套，其特征在于，该粘合剂选自硬脂酸锂或硬脂酸锌。

12.一种按照权利要求5～11中任何一项的衬套，其特征在于，该粘合剂的质量含量为0.1～5％。

13.一种按照任何上述权利要求的衬套，其特征在于，该组分为微粒状，该微粒的直径为10μm或更小。

14.一种按照权利要求13的衬套，其特征在于，该微粒的直径为1μm或更小。

15.一种按照权利要求14的衬套，其特征在于，该微粒的直径为0.1μm或更小。

16.一种按照任何上述权利要求的衬套，其特征在于，该衬套的厚度为衬套直径的1～10％。

17.一种按照权利要求16的衬套，其特征在于，该衬套的厚度为衬套直径的1～5％。

18.一种按照任何上述权利要求的衬套，其特征在于，该衬套的厚度沿横向于该衬套表面区的方向是不均匀的。

19.一种按照任何上述权利要求的衬套，其特征在于，该组分还包括至少另一种金属，其中该至少另一种金属在激活该异形成的装药衬套时不能产生放热反应。

20.一种按照权利要求19的衬套，其特征在于，该至少另一种金属选自铜、钨或其合金。

21.一种包括按照任何上述权利要求的衬套的定型药包穿孔器。

22.一种按照权利要求21的衬套，其特征在于，包括一个套筒、被安置在该套筒内的一定量的高性能炸药和一个被安置在该套筒内的按照任何上述权利要求的衬套，使得该高性能炸药安置在该衬套和套筒之间。

23.一种包括按照权利要求21或22的一个或多个定型药包穿孔器的穿孔枪。

24.一种利用一个或多个按照权利要求1～20中任何一项的定型药包衬套完成油井或天然气井作业的方法。

25.一种利用一个或多个按照权利要求21或22的定型药包穿孔器的完成油井或天然气井的作业的方法。

26.一种利用一个或多个按照权利要求22的穿孔枪完成油井或天然气井作业的方法。

27.一种提高流体自井的流出量的方法，包括利用按照权利要求21或22的穿孔器对该穿孔的步骤。

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