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Stand der Technik
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Ballistikvorrichtungen, die bei der Öl- und Gasproduktion benutzt werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Ladung mit einem wellenformenden Element mit einem energetischen Material.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Kohlenwasserstoffproduzierende Bohrlöcher durchschneiden mehrere Zonen mit unterirdischen Formationen. Perforationssysteme werden häufig zum perforieren von Hydraulikdurchgängen durch Wände der Bohrlöcher in eine oder mehr der Zonen benutzt, wodurch die perforierten Zonen mit dem Bohrloch hydraulisch verbunden werden. Bohrlöcher werden gewöhnlich durch koaxiales Einführen eines Rohrs oder einer Verrohrung in das Bohrloch vervollständigt, wo es/sie dann durch Einpumpen von Zement in den ringförmigen Raum zwischen dem Bohrloch und der Verrohrung festzementiert wird. Der Zement bildet eine Stromschranke aus, die die Zonen in dem ringförmigen Raum hydraulisch voneinander isoliert.
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Die Perforationssysteme enthalten typischerweise einen Perforateurkörper, der eine Anzahl Hohlladungen aufnimmt. 1 zeigt ein Beispiel des Stands der Technik einer Hohlladung 10. Jede Hohlladung 10 enthält im Allgemeinen ein Gehäuse 12, eine Einlage 14 und brisanten Sprengstoff 16. Herkömmlicherweise sind einige der brisanten Sprengstoffe, die benutzt wurden, die HMX-, RDX-, PBX-Arten und PETN. Das Gehäuse 12 weist gewöhnlich ein offenes Ende und einen zylindrisch geformten Raum oder Hohlraum 17 darin auf, in dem der Sprengstoff 16 und die Einlage 14 vorgesehen sind. Einlagen 14 sind typischerweise Metallpartikeln, die in die dünnwandigen, hohlen und konisch geformten Glieder geformt sind, die einen abgerundeten Scheitel aufweisen und an der Basis offen sind. Die Einlage 14 wird in den offenen Raum 17 des Gehäuses 12 mit der Scheitelseite zuerst angeordnet, mit dem brisanten Sprengstoff 16 zwischen der Einlage 14 und dem Gehäuse 12. Das Detonieren des brisanten Sprengstoffs 16 bildet Detonationswellen 18 aus, die sich durch den brisanten Sprengstoff 16 übertragen und kollabieren und die Einlage 14 umkehren, wodurch die Einlage 14 zu einem Metallstrahl umgewandelt wird, der aus dem Hohlladungsgehäuse 12 ausgestoßen wird. Der Strahl tritt aus dem Perforateurkörper aus und durchdringt die Lochausschalung und die umgebenden geologischen Formationen. Die Strahleigenschaften hängen von der Form des Ladungsgehäuses 12 und der Einlage 14, der freigegebenen Energie sowie der Masse und Zusammensetzung der Einlage 14 ab. Im Allgemeinen wird der brisante Sprengstoff durch Zünden einer Übertragungsladung 20 detoniert, die dem brisanten Sprengstoff 16 benachbart gezeigt ist, wobei die Übertragungsladungsexplosion durch eine zugehörige Detonationsschnur 22 eingeleitet wird.
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Es wurden verschiedenartige Anstrengungen unternommen, die Leistung von Hohlladungen zu modifizieren. Schranken und Hohlräume wurden innerhalb des explosiven Materials angeordnet, um die Detonationswellenform zu modifizieren, die die Einlage zum Kollabieren bringt. Es wurden Wellenformgebungstechniken eingesetzt, die den brisanten Sprengstoff zwischen der Detonationsschnur und der Einlage anordnen. Beispielsweise wurde ein Spoiler innerhalb des Einlagenhohlraums zum Modifizieren der Durchdringungsstrahlform angeordnet. Andere Anstrengungen wurden unternommen, um die Durchdringungsstrahlleistung durch Ändern der Form, Stärke oder Konfiguration der Einlage zu modifizieren.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt Beispiele einer Hohlladung und Verfahren zum Perforieren eines Bohrlochs. In einer beispielhaften Ausführungsform ist hierin eine Hohlladung beschrieben, die einen brisanten Sprengstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit und eine Einlage enthält, welche dem brisanten Sprengstoff benachbart ist. Ein Wellenformgebungselement ist in der Hohlladung enthalten, das aus einem energetischen Material hergestellt ist, wobei das energetische Material eine Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, die geringer als die Detonationsgeschwindigkeit des brisanten Sprengstoffs ist. Das Wellenformgebungselement ist in einem Weg einer Detonationswelle angeordnet, der sich zwischen einer Einleitungsstelle der Detonationswelle und der Einlage befindet. Daher wird, wenn die Detonationswelle durch Detonation des brisanten Sprengstoffs erzeugt ist und sich durch das Wellenformgebungselement verbreitet, die Detonationswelle durch das Wellenformgebungselement geformt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Detonationswelle stromaufwärts vom Wellenformgebungselement divergenter als dann, wenn die Detonationswelle stromabwärts vom Wellenformgebungselement ist. Optional ist das Wellenformgebungselement aus HMX-, RDX-, PBX-Arten, PETN, HNS, TATB oder Kombinationen davon gebildet. Ein Hohlladungsgehäuse kann mit der Hohlladung beinhaltet sein, wobei das Hohlladungsgehäuse einen Hohlraum aufweist, der durch eines seiner Enden zum Anordnen des brisanten Sprengstoffs und der Einlage ausgebildet ist. Außerdem kann optional eine Übertragungsladung in einem Ende des Hohlladungsgehäuses gegenüber dem Ende mit dem Hohlraum angeordnet sein. In einem Beispiel weist die Einlage eine im Allgemeinen konische Form mit einem abgerundeten Scheitel auf, der der Übertragungsladung zugekehrt ist, und wobei das Wellenformgebungselement in einem Raum zwischen dem Scheitel und der Übertragungsladung angeordnet ist. Das Wellenformgebungselement kann einen linsenförmigen Querschnitt aufweisen und im Allgemeinen koaxial mit einer Achse der Hohlladung angeordnet sein. Der brisante Sprengstoff kann aus einem Material wie etwa HMX-, RDX-, PBX-Arten, PETN, HNS, TATB und Kombinationen davon gebildet sein.
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Hierin ist außerdem ein Verfahren zum Perforieren eines Bohrlochs enthalten. In einem Beispiel beinhaltet das Verfahren das Vorsehen einer Hohlladung mit einer Hohlladungseinlage und mit brisantem Sprengstoff, der der Hohlladungseinlage benachbart ist. Das Verfahren beinhaltet außerdem das Vorsehen eines Wellenformgebungselements im brisanten Sprengstoff. Das Wellenformgebungselement dieses Beispiels ist aus einem energetischen Material gebildet, dessen Reaktionsrate von der Rate abweicht, mit der der brisante Sprengstoff reagiert. Die Hohlladung wird dann in einem Bohrloch angeordnet und zum Ausbilden einer Detonationswelle zum Kollabieren der Hohlladungseinlage gezündet. Optional divergiert das Wellenformgebungselement stromabwärts weniger als wenn es stromaufwärts vom Wellenformgebungselement ist. Alternativ kann das Einleiten der Detonation des brisanten Sprengstoffs das Erzeugen einer Detonationswelle in einer Detonationsschnur und das Übertragen der Detonationswelle von der Detonationsschnur auf den brisanten Sprengstoff beinhalten. Das Verfahren kann ferner optional das Anordnen des brisanten Sprengstoffs, der Hohlladungseinlage und des Wellenformgebungselements in einem Hohlladungsgehäuse zum Definieren einer Hohlladung beinhalten. Die Schritte des Vorsehens können mehrmals zum Erhalten von mehreren Hohlladungen wiederholt werden, die in einen Perforateur mit einer Detonationsschnur angeordnet werden können.
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Außerdem ist hierin ein Perforationssystem beschrieben, das einen zylindrischen Perforateurkörper mit Hohlladungen beinhaltet. Die Hohlladungen beinhalten ein Hohlladungsgehäuse mit einem Hohlraum mit Wänden und einem Boden, einer Hohlladungseinlage im Hohlraum, brisantem Sprengstoff zwischen der Hohlladungseinlage und den Wänden und dem Boden des Hohlraums und einem Wellenformgebungselement im Hohlraum zwischen einem Scheitel der Hohlraumeinlage und dem Boden des Hohlraums. Das Wellenformgebungselement enthält ein Material, das auf einer Rate reagiert, die von einer Rate abweicht, auf der der brisante Sprengstoff reagiert. In einer optionalen Ausführungsform enthält das Material des Wellenformgebungselements HMX-, RDX-, PBX-Arten, PETN, HNS, TATB oder Kombinationen davon. Weiterhin optional ist eine Detonationsschnur beinhaltet, die längs durch den Perforateurkörper verläuft und einem Ende des Hohlladungsgehäuses benachbart angeordnet ist, das eine Übertragungsladung aufweist. In einem Beispiel ist das Wellenformgebungselement mit einem fluorkohlenstoffbasierten Polymer beschichtet. Der Scheitel kann optional in das Wellenformgebungselement hinein verlaufen. Alternativ ist das Wellenformgebungselement vom Scheitel beabstandet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Einige der Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung wurden angeführt, andere gehen aus den Beschreibungsausführungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor; es zeigen:
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1 eine Seitenschnittansicht eines Beispiels des Stands der Technik einer Hohlladung;
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2 eine Seitenschnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Hohlladung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Teilseitenschnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform zum Perforieren eines Bohrlochs unter Benutzung der Hohlladung von 2 gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4A und 4B Seitenschnittansichten von beispielhaften Ausführungsformen der Hohlladung von 2 gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Obgleich die Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf diese Ausführungsform zu beschränken. Es ist im Gegensatz dazu beabsichtigt, alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abzudecken, die innerhalb des Wesens und Umfangs der Erfindung, wie durch die beiliegenden Ansprüche definiert, beinhaltet sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun im Folgenden das Verfahren und das System der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen Ausführungsformen gezeigt sind, vollständiger beschrieben. Das Verfahren und das System der vorliegenden Offenbarung können zahlreiche verschiedene Formen annehmen und sollten nicht als auf die hierin angeführten Ausführungsformen beschränkt angesehen werden; stattdessen sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und ihren Schutzumfang dem Fachmann vollständig übermittelt. Gleiche Bezugszeichen betreffen durchweg gleiche Elemente.
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Es versteht sich ferner, dass der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf die exakten Details von Bau, Betrieb, exakten Materialien oder gezeigter und beschriebener Ausführungsformen beschränkt ist, da Modifikationen und Äquivalente für den Fachmann ersichtlich sind. In den Zeichnungen und der Schrift wurden veranschaulichende Ausführungsformen offenbart, und obgleich spezifische Begriffe eingesetzt sind, sind diese doch lediglich in einem generischen und beschreibenden Sinn und nicht zu Einschränkungszwecken benutzt. Dementsprechend sind die hierin beschrieben Verbesserungen lediglich durch den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche einzugrenzen.
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In einer Seitenschnittansicht in 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Hohlladung 30 gezeigt, die aus einem Hohlladungsgehäuse 32 mit einem Hohlraum 33 gebildet ist, der durch ein Ende des Hohlladungsgehäuses 32 ausgebildet ist. Eine konisch geformte Einlage 34 ist in den Hohlraum 33 eingefügt gezeigt, die einen abgerundeten Scheitel zu einer Basis oder einem Boden des Hohlraums 33 hin aufweist. In dem Beispiel von 2 ist die Einlage 34 im Wesentlichen koaxial mit einer Achse AX der Hohlladung 30. Brisanter Sprengstoff 36 ist zwischen der Einlage 34 und den Wänden und der Basis des Hohlraums 33 angeordnet gezeigt. Optional ist im brisanten Sprengstoff 36 ein Bindemittel 37 beinhaltet, das in einer beispielhaften Ausführungsform zum Formen des brisanten Sprengstoffs 36 innerhalb des Hohlladungsgehäuses 32 benutzt sein kann. Das Bindemittel 37 kann ein wachsbasiertes Material oder ein Polychlorotrifluorethylen sowie andere, fluorwasserstoffbasierte Polymere sein.
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In dem Raum zwischen dem Scheitel der Einlage 34 und der Basis des Hohlraums 33 ist ein Wellenformgebungselement 38 vorgesehen. Das Wellenformgebungselement 38 von 2 weist einen im Allgemeinen linsenförmigen Querschnitt mit einer Hauptachse und einer Nebenachse auf; wobei die Nebenachse im Allgemeinen mit der Achse AX koaxial ist. In der beispielhaften Ausführungsform von 2 enthält das Wellenformgebungselement 38 eine Beschichtung 39 auf seiner Außenfläche, die in einer beispielhaften Ausführungsform ein fluorkohlenstoffbasiertes Polymer beinhaltet. Das Material, das das Wellenformgebungselement 38 bildet, ist energetisch und weist eine Reaktionsrate auf, die von einer Reaktionsrate des brisanten Sprengstoffs 36 abweicht. Zu Beispielmaterialien für das Wellenformgebungselement 38 gehören HMX-, RDX-, PBX-Arten, PETN, HNS, TATB und Kombinationen davon.
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Die Hohlladung 30 von 2 beinhaltet ferner eine Übertragungsladung 40, die im Bodenende des Hohlladungsgehäuses 32 und gegenüber der Öffnung des Hohlraums 33 vorgesehen gezeigt ist. Die Übertragungsladung 40 beinhaltet ein Material, das leichter reagiert als der brisante Sprengstoff 36. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Übertragungsladung 40 aus einem primären Sprengstoff und der brisante Sprengstoff 36 aus einem sekundären Sprengstoff gebildet; wobei der primäre Sprengstoff in Reaktion auf eine Anregung detoniert, die die Detonation innerhalb des brisanten Sprengstoffs 36 im Allgemeinen nicht einleiten würde. Die Detonation der Übertragungsladung 40 ist jedoch imstande, den brisanten Sprengstoff 36 zu detonieren.
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Es ist eine Detonationsschnur 42 gezeigt, die einem Ende der Übertragungsladung 40 benachbart gegenüber dem brisanten Sprengstoff 36 eingerichtet ist und zum Einleiten von Explosion oder Detonation innerhalb der Übertragungsladung 40 vorgesehen ist. Eine beispielhafte Detonationswelle 44 ist in 2 dargestellt, die eine beispielhafte Abbildung dafür ist, wie die Detonation des brisanten Sprengstoffs 36 von der Übertragungsladung 40 eingeleitet sein kann, sich entlang eines Wegs verbreitet, der im Wesentlichen parallel zur Achse AX verläuft, und schließlich aus der Hohlladung 30 austritt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ändert das Vorhandensein des Wellenformgebungselements 38, wie dargestellt, die Form der Detonationswelle 44 zu einer weniger divergierenden Konfiguration. Beispielsweise ist die Detonationswelle 44 stromaufwärts vom Wellenformgebungselement 38 mit einem Radius gezeigt, der kleiner als ein Radius der Detonationswelle 44 stromabwärts vom Wellenformgebungselement 38 ist. Wie oben besprochen ist das Material des Wellenformgebungselements 38, wie hierin offenbart, energetisch und explodiert und/oder detoniert in Reaktion auf Detonation des brisanten Sprengstoffs 36. Detonation oder Explosion des Wellenformgebungselements 38 kann direkt durch die Detonationswelle 44 bewirkt sein. Ein Vorteil eines Wellenformgebungselements 38, das aktiv statt passiv ist, ist, dass die Dämpfung der Detonationswelle 44 durch das aktive Wellenformgebungselement 38 geringer als Dämpfung durch Wellenformgebungselemente ist, die aus einem nicht reaktionsfähigen Material ausgebildet sind.
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In einer beispielhaften Ausführungsform sieht das Wellenformgebungselement 38 einen Ausdünnungseffekt zum Umformen der Konfiguration der Detonationswelle 44 vor. Obgleich die Detonationswelle 44, die sich stromabwärts vom Wellenformgebungselement 38 verbreitet, mit einer nichtlinearen Wellenfront gezeigt ist, kann die Wellenfront im Wesentlichen linear und im Allgemeinen rechtwinklig zur Richtung der Achse AX ausgerichtet sein. Es bestehen andere Konfigurationen, bei denen die Detonationswelle 44 eine Wellenfront aufweist, die umgekehrt zu jener von 2 ist; d. h. mit einem Radius mit einem Ursprung auf einer Seite der Detonationswelle 44 gegenüber jenem der Übertragungsladung 40.
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Eine schneller kollabierende Einlage 34 und damit tiefere Penetration ist einer der Vorteile des Formens der Wellenfront der Detonationswelle 44. Ein Vorteil des Kombinierens des Bindemittels 37 mit dem brisanten Sprengstoff 36 ist, dass der brisante Sprengstoff mit einer gewünschten Form in Einklang gebracht werden kann und präzise Kontur und Abmessungen aufweist. Das Bindemittel 37 erhöht außerdem die Wiederholbarkeit des Ausbildens des brisanten Sprengstoffs zu einer gewünschten Form mit präzisen Abmessungen und Kontur. Gesteigerte Präzision ermöglicht außerdem symmetrischer geformte brisante Sprengstoffe, die wiederum kohärentere und geradere Strahle ausbilden als jene, die durch weniger symmetrisch ausgebildete brisante Sprengstoffe erzeugt werden. Da Inkohärenz der Strahlbildung bei gesteigerter Strahlgeschwindigkeit erschwert ist, sehen Ausführungsformen, die das Wellenformgebungselement 38 mit präzise konfiguriertem brisantem Sprengstoff 36 im Wesentlichen symmetrisch um die Achse AX kombinieren, die Detonationswelle 44 mit höherer Geschwindigkeit und den Strahl, der durch die umkehrende Einlage 34 ausgebildet ist, die auf der Achse AX und nicht versetzt davon liegen, vor.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Perforationssystems 45 in Teilschnittansicht und innerhalb eines Bohrlochs 46 angeordnet gezeigt. In dem Beispiel von 3 ist die Hohlladung 30 von 2 mit einem gestreckten und im Wesentlichen zylindrischen Perforateur 48 versehen, der an anderen Perforateuren zum Definieren eines Perforationsstrangs angebracht ist. Hohlladungen 30 sind in den Perforateuren 48 vorgesehen. Ein Beispiel des Schritts des Perforierens ist in 3 gezeigt, wobei Strahlen 49 gezeigt sind, die von den Hohlladungen 30 innerhalb der Perforateure 48 entladen werden, und die Perforationen 50 in einer Formation 52 ausbilden, welche das Bohrloch 46 umgibt. Ein beispielhafter Vorteil des Benutzens des Wellenformgebungselements 38 ist, dass die Perforationen 50 tiefer und gerader in die Formation 52 eindringen als Hohlladungen ohne Wellenformgebungselement. Zudem kann das Wellenformgebungselement 38, wie es hierin offenbart ist, Perforationen 50 ausbilden, die tiefer als jene sind, die durch andere Hohlladungen mit einem passiven Wellenformgebungselement ausgebildet sind.
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Ferner ist in dem Beispiel von 3 eine Drahtleitung 54 beinhaltet, die zum Einsetzen des Strangs von Perforateuren 48 innerhalb des Bohrlochs 46 benutzt werden kann. Die Drahtleitung 54 kann außerdem zum Übermitteln eines Signals an die Perforateure 48 benutzt werden, das die Detonation der Hohlladung 30 bewirkt. Die Drahtleitung 54 ist gezeigt, wie sie durch eine Bohrlochkopfanordnung 56 läuft, die an einem oberen Ende des Bohrlochs 46 angebracht ist. Die Steuerung der Drahtleitung 54 und optional der Signale durch die Drahtleitung 54 wird über einen Oberflächenlastkraftwagen 58 unterhalten, der auf der Oberfläche und über der Bohrlochöffnung eingerichtet gezeigt ist. Im Perforationssystem 45 ist eine Sprengkapsel 60 an einem oberen Ende gezeigt, der mit der Detonationsschnur 42 verkoppelt ist, welche, wie oben besprochen, die Explosion oder Detonation innerhalb der Übertragungsladung 40 (2) einleitet.
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4A und 4B sehen alternative Ausführungsformen der Hohlladung 30 von 2 vor. Insbesondere wie in 4A dargestellt, ist eine Hohlladung 30A vorgesehen, wobei das Wellenformgebungselement 38 nicht vom Scheitel der Einlage 34 geschnitten wird, sondern das Wellenformgebungselement 38 ist stattdessen derart positioniert, dass es in Kontakt mit dem Scheitel der Einlage 34 und ihm benachbart ist. In einer anderen optionalen Ausführungsform ist eine Hohlladung 30B in Schnittansicht in 4B gezeigt, wobei das Wellenformgebungselement 38 hinter dem Scheitel der Einlage 34 beabstandet ist, wodurch ein Raum zwischen dem Wellenformgebungselement 38 und dem Scheitel der Einlage 34 gelassen ist. In beiden Ausführungsformen von 4A und 4B nehmen die resultierenden Detonationswellen 44 eine weniger divergierende Konfiguration stromabwärts vom Wellenformgebungselement 38 als stromaufwärts an, sodass das Kollabieren der Einlage 34 auf einer Rate erfolgt, die schneller ist, als sie ohne das strategisch angeordnete Wellenformgebungselement 38 erfolgen würde. Von daher können Strahle mit höherer Energie zum Vorsehen von tieferen Penetrationen innerhalb der Kohlenwasserstoff erzeugenden Formationen erzeugt werden.
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Die vorliegende Erfindung, die hierin beschrieben ist, ist zum Lösen der Aufgaben und Erzielen der angegebenen Zwecke sowie anderer innewohnender gut geeignet. Während eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zu Offenbarungszwecken angegeben wurde, bestehen doch zahlreiche Änderungen an Details zum Erzielen der erwünschten Resultate. Beispielsweise kann aufgespulte Verrohrung anstelle der Drahtleitung benutzt werden. Diese und ähnliche Modifikationen fallen dem Fachmann ohne weiteres ein, und es ist beabsichtigt, dass sie innerhalb des Wesens der vorliegenden, hierin offenbarten Erfindung und dem Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche umfasst sind.
