CN1886633A

CN1886633A - 关于穿孔器的改进

Info

Publication number: CN1886633A
Application number: CN200480035447.7A
Authority: CN
Inventors: R·V·梅德斯; M·J·欣顿
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: CN1886633B; US8322284B2; EP1680644A2; EP1680644B1; ATE491924T1; WO2005035929A2; US20070051267A1; WO2005035929A3; NO20061592L; NO331146B1; DE602004030606D1; GB0323675D0

Abstract

描述了一种复合材料的套筒(19)和衬套(21)，用于一种完成各种井如油井、天然气井和水井(1)的作业的穿孔器(17)中。选定的材料预期在井(1)中存在长时间的高温高压下仍然稳定。

Description

关于穿孔器的改进

发明领域

本发明涉及一种穿孔器，用于对成井作业进行穿孔和使其破裂，特别是(虽然并非排他地)涉及用于管道传送的对一井孔套筒进行爆炸性穿孔的穿孔枪，或被下降到一光滑的管线上用于对一油管柱或井的钻杆进行穿孔的穿孔枪，这种井例如是油井、天然气井、水井和蒸汽井。

发明背景

到目前为止，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，产生这样一条流动路径是利用一个穿孔器来完成的，在该套筒中生成的孔经粘结层而实际穿入该岩层，这一过程通常称为穿孔。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如高性能炸药来形成的。高能物质也能给出额外的优点，即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自该岩层产生增大的流动。通常，这样一种穿孔器会采取定型药包器的形式。下面，除非以别的方式限定，否则任何提及穿孔器都应当指一种定型药包穿孔器。

定型药包是一种高能装置，由一种其中插入一衬套的轴对称的套筒构成。该衬套形成一个空腔的内表面，空腔的其余表面由该套筒提供。该空腔充满高性能炸药如HMX、RDX、PYX或HNS，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。正是该材料的射流冲击该井的套筒而产生一孔，然后穿入该岩层本身。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、挠性管或甚至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完成成井作业的工程师对要完成的作业的特性的分析和/或评估。取决于岩层的性质，完成成井作业的工程师的目标或者可以是在该套筒中获得最大可能的孔，或者可以是获得对周围岩层的最深可能的穿透。因此，在一未固结的岩层中，优先考虑前一目标，而在一固结的构造中，需要后一目标。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。

通常，穿孔器的装药量、穿孔器数目和在枪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。完成成井作业的工程师的决定是以由关于完成成井作业中的特定岩层的经验和知识所产生的试验手段为基础的。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RP 19B(原先为RP 43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手头特定工作所需要的穿孔器。在进行选择中，该工程师可以确信该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，关于本文提出的发明，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方法中发生变化并从直接向前的和综合的完成成井作业两方面增加和提高产量。

发明概要

因此，按照本发明的第一方面，提供一种供定型药包穿孔器用的部件，该部件包括一种具有被埋置于其中的至少一种非爆炸性填料的塑料基质。

该部件可以包括或者是一种定型药包衬套、一种定型药包套筒，或者是两种。

最好是，该非爆炸性填料均匀地分布于整个基质中。但是，在按照孔的尺寸和/或穿透的深度产生一种特定效果的场合，可以利用填料的不均匀分布。通过在制造衬套期间控制填料的引入可以相当直接地获得特性的此种调整。在使用中，可以发现，调整一个衬套来适合一特定岩层和所要穿孔的性质是有效的。通过利用一种塑料基质作为套筒，可以打开至今未接触的大规模快速生产的空间。有利的是，如果没有脆性特征，可以选择该塑料基质具有脆性。因此，可以使这样一种穿孔器的起爆产生的碎屑对穿孔器周围的结构基本上无害或至少比用传统方法制成的套筒损伤少些。此外，这些碎屑本身是惰性的，因为它不应当有利于或以别的方式产生要完成的作业的其它井底部件的腐蚀。

该定型药包套筒可以是增强的，例如或者利用一预成形机构，或者通过手工绞合、纤维缠绕、压力成型和编织中的至少一种方法，或者利用多个单根粗纱。

在另一优选实施例中，填料容积为填料和容积的混合容积的45～85％，最好为填料和基质的混合容积的45～65％。

在另一优选实施例中，该填料包括粒径基本均匀的微粒，特别是具有10～250nm范围的微粒粒径。

该填料可以是一种金属或非金属的纤维或碎屑。

在另一优选实施例中，填料密度与基质密度之比基本上等于1，例如该填料具有0.5g/cm³～5g/cm³的密度。

按照本发明的又一方面，本发明提供一种包括一个或多个按照本发明的第一方面的部件的定型药包穿孔器。

该定型药包穿孔器可以包括一个套筒、一个衬套与包围在该套筒和衬套之间的一定量的炸药。

按照本发明的又一方面，本发明提供一种包括一个或多个按照本发明的定型药包穿孔器的穿孔器枪。

按照本发明的又一方面，本发明提供一种用于在真空下制造供定型药包穿孔器用的部件的混合物，该混合物包括一种具有至少一种埋置于其中的非爆炸性填料的塑料基质，而且其中该填料的容积占据填料和基质的混合容积的45～85％。

按照本发明的又一方面，本发明提供一种用于定型药包穿孔器的部件的制造方法，该方法包括使一种塑料基质与微粒状填料在真空下混合。

在优选实施例中，该部件包括一种定型药包衬套和一种定型药包套筒中的至少一种。

在又一优选实施例中，该填料的容积占据填料和基质的混合容积的45～85％。

在某些实施例中，该混合物包括第一部分和第二部分，该第一和第二部分包括不同的填料和基质之比。

按照本发明的又一方面，本发明提供一种改进流体从一井的钻孔外流的方法，该方法包括利用按照本发明的一杆穿孔枪对该钻孔进行穿孔。

有利的是，随后从该井回收流体(如碳氢混合体[石油或天然气]、水或蒸汽)可以增强，因为使用按照本发明的衬套和/或套筒可以改善对周围岩石层的穿透和/或减轻在穿透后留在竖井内的碎屑的影响。

该流体通常是碳氢混合物、水和蒸汽中的一种或多种。

按照本发明的又一方面，本发明提供一种供定型药包穿孔器用的衬套，该衬套包括一种具有至少一种埋置于其中的非爆炸性填料的塑料基质，该填料不均匀地分布于整个衬套，从而调整该衬套。

按照本发明的又一方面，本发明提供一种供定型药包穿孔器用的衬套，该衬套包括一种具有至少一种埋置于其中的非爆炸性填料的塑料基质，该衬套有不均匀的厚度，从而调整该衬套。

按照本发明的又一方面，本发明提供一种供定型药包穿孔器用的衬套，该衬套包括一种具有至少一种埋置于其中的非爆炸性填料的塑料基质，该填料的密度基本上与该塑料匹配。

按照本发明的又一方面，本发明提供一种制造定型药包衬套的方法，该方法包括在真空下使一塑料基质与微粒状填料混合。该衬套可以任意地对其不限制地包括一种或多种下列结构，即双锥形或褶边。

该技术的专业人员可以清楚，本发明的各方面既可以互相结合，也可以与其各自的优选特点结合。

附图简述

为了帮助理解本发明，现在仅作为例子参照附图描述其多个实施例，附图中：

图1是一个要完成的作业的截面图，其中可以使用一种按照本发明的一个实施例的穿孔器；

图2是一种供一个或多个图1的穿孔器用的枪或承载器的片断截面图；

图3是沿按照本发明的一个实施例的一种穿孔器的纵轴线截取的截面图；以及

图4是一种按照本发明的穿孔器的另一实施例的类似的截面图。

详细描述

下面，任何对术语“枪”的参考预期也包括术语“承载器”，反之亦然。

参照图1，图中示出完成井1中作业的一个阶段，其中，井孔3已钻入一对分别是未固结的和固结的岩层的生产区5、7。一根钢管或套筒9粘结在孔3中。为了提供一条从生产区5、7进入将在套筒9和存在于完工的井内的生产管(未示出)之间形成的最终环状空间中的流道，需要对套筒9穿孔。为了在套筒9中形成穿孔，将一枪11在合适的钢缆、光滑管线或挠性管13上下降到该套筒内。

如图2中更详细地示出的，枪11大体上是一根空心钢管，其中形成孔15，穿孔器的装药量17通过孔15起爆。抢11的直径选择为与套筒成紧密配合而不是干涉配合。因此，枪11在套筒内有效地自动定中心。通过使枪11在套筒9内自动定中心，装药量17和套筒9之间的平衡距离变化极小。该平衡距离的任何显著变化可能对穿孔器性能的一致性产生不利的影响。

在使用中，枪11在井3中下降到一个接近生产区5、7的深度。也可能生产区5、7的范围超过枪11的长度，此时可以下降一列枪(未示出)和/或可能需要多次操作来在每个生产区5、7的区域内对套筒完全穿孔。其次，也可能岩层相当地没有固结，那么也可以选择在套筒9中形成一较大的孔而不是更深地穿孔入岩层5。相反，在需要更深穿孔的场合，如在高度固结的沉积物7中，也可在套筒9中形成一个小孔。在任何一种情况下，完成成井作业的工程师将试图选择对套筒9中所需的特定穿孔最合适的装药量。

转到图3，图中更详细地示出与上述枪11一起使用的穿孔器17的一个实施例。穿孔器17是一个定型药包，有一基本上圆筒形的金属套筒19和一按照本发明的圆锥形的衬套21，衬套21的壁厚为衬套最大直径的1～5％。衬套21预期密贴地配合在圆筒形套筒19的一端中。由衬套和套筒的内表面23和25限定的容积充满高性能炸药27。适用于充满穿孔器17的典型的高性能炸药有RDX、HMX、PYX或HNS。如已经指出的，多个此种穿孔器17装在枪11中。每个穿孔器17还包括一个与高性能炸药27接触的引爆器29。

套筒19为炸药屑粉27提供冲击和环境的保护以及一个充满炸药的密封模具。此外，在装配期间，套筒19有助于保证衬套21的正确的轴向对准。套筒19为普通结构，并尽可能用钢制造，选定钢是为了阻止炸药27起爆后被炸成碎片的倾向。已经发现，套筒19的碎裂能导致穿孔器17周围的结构包括岩层5、7和枪11的间接损伤。其次，套筒19的碎片可以被井的流体带入阀之类部件中，在那里碎片可能堵塞和/或引起腐蚀，特别在用锌作为制造套筒的组分中的材料的场合。

在该实施例中，衬套21用增强的聚合物材料制成。增强由预成形件提供，或者在该实施例的一个变化方案中用单根粗纱提供。

该预成形件可以用手工绞合、纤维缠绕、压缩成型或编织而制成，利用粘合剂来保持所要的轮廓而给出刚才的四个例子。当然，最合适的制造技术的选择在很大程度上将取决于规模因而取决于制造穿孔器的经济性。

其中加入一种固体物质装药量的基质可以包括一种或多种塑料。它们可以选自(但不限于)一种或多种热固性塑料、热塑性塑料和弹性体。可以理解，塑料的选择在很大程度上是在近似于完成成井作业的温度下的塑料性能的基础上作出的。在某些情况下，枪11在其被使用之前可以在套筒9中保持很长时间。因此该塑料可能需要被选择来不仅能经受也许达200℃的高温，而且能在几天甚至几星期的长时间的高温下保持其性能。

已经确定，热塑性塑料如聚苯乙烯、含2～10个碳原子的烯烃聚合物如聚乙烯和聚丙烯适合于高达约200℃的温度的选择。在该温度附近和以上，具有较高熔点的塑料如聚醚砜(PES)、聚甲醛(POM)和PK均可使用。

在上述基质中加入一种非爆炸性的填料。该填料按容积可达80％。该填料可以优选地包括一种或多种金属材料。例如，一种金属材料可选自下列非唯一的清单，即铜、铝、铁、钨及其合金。额外地或替代地，可以选择一种或多种非金属材料。这些材料包括(但不限于)无机或有机材料如金属特别是难熔金属的硼化物、碳化物、氧化物、氮化物和玻璃。

已经发现，非常不希望这些低密度填料的选择不必要地损害穿孔器17的性能。低密度填料是密度为0.5～约5g/cm³的填料。通过适当的选择，在填料和基质之间可以进行近似的密度匹配。可以认为，近似的密度匹配保证，当衬套21在高性能炸药27爆炸期间崩塌时，在衬套被炸药27加速而进入射流时，填料和基质材料多半不会彼此分开。其次，密度为1～5g/cm³的低密度填料有一个优点，就是对于一定的衬套21的总重量，低密度填料比高密度填料对衬套有更大的容积。该填料可以是连续的或不连续的材料。不连续的材料指其性能按片段恒定的方式变化。这样的材料可以用一种亚结构方法来建立模型。或者是，性能的变化可以用一种各向异性的弹性介质近似法来表示。

微粒或纤维的平均直径为约10纳米～250微米。已经发现，直径大于约250微米的粗粉在形成穿孔器射流期间多半会从基质中分离出来。这种分离会降低性能。在该范围的另一端，可以看到，粒径小于约2微米的细粉或超细粉会越来越难于浸润。结果，这样的粉末证明越来越难于加入到基质中，因为其装药量容积增加。

虽然图中不明显，但在制造衬套21期间可以在衬套21的范围内改变填料的分布。装药量中这样一种变化允许衬套21内的声音速度受到变化，并因而能够将衬套的崩塌机制调整到适合一种特定用途。例如，在未固结的岩层中，不需要形成一种所谓深孔的穿孔。相反，需要在套筒中形成所谓大孔穿孔。因此，填料可以在衬套的范围内分级。相反，在一种较固结的岩层中，深孔穿孔的产生导致填料的另一种分级的分布。

图4表示一种按照本发明另一实施例的定型药包穿孔器17’。在该实施例中，套筒19’是用一种增强的聚合物材料制成的。增强是通过一种预成形件或在该实施例的变化方案中是利用许多单根粗纱而达到的。在图中用相同的标号来表示与前述实施例中共同的部件。例如，增强的聚合物衬套用21表示。该预成形件可以通过手工绞合、纤维缠绕、压缩成型或编织而制成，利用粘合剂来保持所要的轮廓而给出刚才的四个例子。当然，最合适的制造技术的选择在很大程度上将取决于规模因而取决于制造穿孔器的经济性。

在其中加入一种固体物质装药量的基质可以包括一种或多种塑料。它们可以选自(但不限于)一种或多种热固性塑料、热塑性塑料和弹性体。可以理解，塑料的选择在很大程度上是在近似于完成成井作业的温度下的塑料性能的基础上作出的。在某些情况下，枪11在其被使用之前可以在套筒9中保持很长时间。因此该塑料可能需要被选择来不仅能经受也许达200℃的高温，而且能在几天甚至几星期的长时间的高温下保持其性能。

已经确定，热塑性塑料如聚苯乙烯、含2～10个碳原子的烯烃聚合物如聚乙烯和聚丙烯适合于高达约200℃的温度的选择。在该温度附近和以上，具有较高熔点的塑料如聚醚砜(RES)、聚甲醛(POM)和PK均可使用。

已经发现，高达80％容积的不希望的填料导致异常的脆性。优选的是，基质中填料的容积约为45～80％，最好是45～65％。也已经发现，较大容积的填料产生的混合物可能对注射成型技术中的实际用途过于干燥。

该填料可以是连续的或不连续的材料。不连续的材料指其性能按片段恒定的方式变化。这样的材料可以用一种亚结构方法来建立模型。或者是，性能的变化可以用一种各向异性的弹性介质近似法来表示。

微粒或纤维的平均直径为约10纳米～250微米。已经发现，粒径小于约2微米的细粉或超细粉会越来越难于浸润。结果，这样的粉末证明越来越难于加入到基质中，因为其装药量容积增加。实际上当粒径大于250微米时，似乎更易于以不利于该枪周围和包括在枪中的结构状况的方式碎裂。据信，微粒或纤维的减小的粒径和较低的密度导致向周围结构传送的能量减少，因而间接损失的可能性较小。

虽然图4中未示出，但在制造套筒19’期间可以在套筒19’的范围内改变填料的分布。装药量中这样一种变化允许套筒19’内的声音速度受到变化，并因而能够将该套筒的碎裂机制调整到适合一种特定用途。

虽然套筒19’可以与一种传统的金属衬套一起使用，但已经发现，将该套筒与如上述实施例中提出的增强的聚合物衬套21一起使用是特别有效的。

该技术的专业人员将会理解，上述适合于衬套21的实施例的制造方法在按照几何尺寸和装药量的类型和分级进行必要的变化以后也适合于制造套筒19’。在穿孔器17’的套筒19’和衬套21每个用一种增强的聚合物材料制成的场合，此时它们可以制成两个独立的部件，即衬套21和套筒19’有明显不同的制造操作过程。或者是，套筒19’和衬套21可以在单独一次操作中制成。还应当注意到，在套筒和衬套于单独一次操作中制成的场合，还可能需要采取措施来允许引入炸药。

该技术的专业人员可以理解，跟随的制造技术的过程预期不是唯一的。例如，一种利用粒状增强物质的基质是通过制造这两种组分的混合物并在真空下将其混合而制成的。可以利用注射或压缩成型法来制成混合的热塑性塑料和粒状物质的套筒19’和/或衬套21。据信，注射成型法尤其适合于利用干燥预成形件的套筒19’和/或衬套21。压缩成型法对具有含与增强物质相互混合的热塑性纤维的预成形件的套筒19’和/或衬套21是有效的。

在衬套21和/或套筒19’用纤维缠绕法制成的场合，已发现能给出优越的强度和尺寸精度。

最后，在将套筒19’和衬套21两者一起制造的单独一次操作的成型工艺中，已发现，在成型工艺期间利用可溶解的型芯是有效的。例如，可以基本上与套筒19’和衬套21同时地成型一个波状成形器和触发装置。其次，通过将多个注射口合并在工具中，可以提供分级和装药量并真正地将不同的装药量送入套筒19’和/或衬套21中。因此，可以在单独一次操作期间制成的一个部件中独立地调整衬套的穿透特性和套筒19’的脆性特性。

其次，该技术的专业人员将认识到，作为注射成型法的替代，例如可以利用RIFT或RIM制造技术。

Claims

1.一种定型药包穿孔器的部件，该部件包括一个有至少一种被埋置于其中的非爆炸性填料的塑料基质。

2.一种按照权利要求1的部件，其特征在于包括第一部分和第二部分，该第一和第二部件包括对基质的不同的填料比例。

3.一种按照权利要求1的部件，其特征在于，该填料在该基质中均匀地分布。

4.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，该部件包括一个定型药包衬套。

5.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，该部件包括一个定型药包套筒。

6.一种按照权利要求5的部件，其特征在于，该定型药包套筒是被增强的。

7.一种按照权利要求6的部件，其特征在于，增强是利用一个预成形件来得到的。

8.一种按照权利要求7的部件，其特征在于，该预成形件是利用手工绞合、纤维缠绕、压缩成型和编织方法中的至少一种而制成的。

9.一种按照权利要求6的部件，其特征在于，增强是利用多个单根粗纱而得到的。

10.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，该填料的容积为填料和基质的混合容积的45～85％。

11.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，该填料的容积为填料和基质的混合容积的45～65％。

12.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，该填料包括粒径基本上均匀的微粒。

13.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，该微粒粒径为10～250nm。

14.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，该填料是一种纤维。

15.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，该填料是一种碎片。

16.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，该填料是一种非金属材料。

17.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，填料密度对基质密度之比基本上为1。

18.一种按照任何上述权利要求的部件，其特征在于，填料的密度为0.5～5g/cm³。

19.一种包括一个或多个按照任何上述权利要求的部件的定型药包穿孔器。

20.一种按照权利要求19的定型药包穿孔器，其特征在于，包括一个套筒、一个衬套和充填在该套筒和衬套之间的一定量的炸药。

21.一种包括一个或多个按照权利要求19和20之一的定型药包穿孔器的穿孔器枪。

22.一种用于在真空下制造定型药包穿孔器的部件的混合物，该混合物包括一种有至少一种被埋置于其中的非爆炸性填料的塑料基质，而且其中该填料的容积占据填料和基质的混合容积的45％～85％。

23.一种定型药包穿孔器部件的制造方法，该方法包括在真空下将塑料基质与微粒状填料混合的步骤。

24.一种按照权利要求23的方法，其特征在于，该部件包括一定型药包衬套和一定型药包套筒中的至少一个。

25.一种按照权利要求23或24的方法，其特征在于，该填料的容积占据填料和基质的混合容积的45％～85％。

26.一种按照权利要求23～25中任何一项的方法，其特征在于，该部件包括第一部分和第二部分，该第一和第二部分包括不同的填料/基质比。

27.一种改善流体从井的钻孔外流的方法，该方法包括利用按照权利要求21的穿孔枪来对该井的钻孔进行穿孔。

28.一种按照权利要求27的方法，其特征在于，该流体是碳氢混合物、水和蒸汽中的一种或多种。

29.一种定型药包穿孔器的衬套，该衬套包括一种有被置于其中的至少一种非爆炸性填料的塑料基质，该填料非均匀地分布于该整个衬套中，从而调整该衬套。

30.一种供一定型药包穿孔器用的衬套，其特征在于，该衬套包括一种有被埋置于其中的至少一种非爆炸性填料的塑料基质，该衬套有不均匀的厚度，从而调整该衬套。

31.一种定型药包穿孔器的衬套，该衬套包括一种有被埋置于其中的至少一种非爆炸性填料的塑料基质，该填料的密度基本上匹配于该塑料的密度。