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Die
Erfindung betrifft verbesserte Auskleidungen für Ölbohrlochperforatoren und genauer
eine Auskleidung für
eine Hohlladung. Noch genauer betrifft die Erfindung eine verbesserte
Hohlladungsauskleidung, aufgebaut aus zusammengepresstem pulverisierten
Schwermetall und Polymermaterial.
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Eine
unterirdische Gas- oder Ölbohrung
beginnt üblicherweise
durch Bohren eines Lochs in die Erde, welches dann mit verbundenen
Metallrohrabschnitten mit relativ großem Durchmesser ausgekleidet
wird. Die so gebildete Verrohrung wird im Allgemeinen an die Fläche des
Lochs zementiert, um der Bohrung Integrität zu verleihen und einen Weg
zum Fördern
von Fluiden an die Erdoberfläche
bereitzustellen. Herkömmlicher
Weise werden die Verrohrung und der Zement anschließend mit
chemischen Mitteln, üblicherweise
Explosivstoffen, an einer oder mehreren Stellen der umgebenden Formation,
aus welchen eine Gewinnung von Fluiden erwünscht ist, perforiert. Allgemein
erstrecken sich die Perforationen eine Strecke in die Formation.
Eines der dem Stand der Technik innewohnenden Probleme ist das Maximieren
der Penetrationstiefe in die Formation.
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Nach
dem Stand der Technik bekannte Sprenghohlladungen besitzen üblicherweise
eine im Wesentlichen zylindrische oder konische Form und werden
in verschiedenen Anordnungen von Perforationswerkzeugen in unterirdischen
Bohrungen verwendet. Im Allgemeinen wird eine zum Einführen in eine
Bohrung geeignete röhrenförmige Perforationskanone
verwendet, um eine Mehrzahl von Hohlladungen zu einem unterirdischen
Ort zu transportieren, an dem eine Perforation erwünscht ist.
Mit der Detonation der Hohlladungen werden Strahlen aus Explosivstoffen
von den Hohlladungen mit beträchtlicher
Geschwindigkeit ausgestrahlt und durchlöchern die Bohrlochverrohrung
und die umgebende Formation.
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Auskleidungen
von Hohlladungen werden allgemein mit dem Bestreben ausgebildet,
die Eindringtiefe zu maximieren. Verschiedene Metalle werden verwendet.
Auskleidungen aus solidem Metall haben den Nachteil, dass Metallfragmente
in die Formation eingebracht werden, welche die Effektivität der Perforation
beeinträchtigen.
Um dieses Problem zu überwinden,
werden manchmal aus pulverisiertem Metall zusammengepresste Auskleidungen
verwendet. Solche Auskleidungen zersetzen sich bei einer Detonation
der Hohlladung und verhindern so die mit Metallfragmenten verbundenen
Probleme. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich Schwermetalle
besonders zur Nutzung in Auskleidungen eignen. Im Allgemeinen wird
das Schwermetall mit einem oder mehreren anderen Metallen mit geeigneten
Bindungseigenschaften kombiniert, um die Bildung von starren Auskleidungen
durch sehr hohe Kompression der Metallpulver zu verbessern. Eines
der prinzipiellen Probleme des Standes der Technik ist das Bestreben,
den Schwermetallgehalt von Auskleidungen zu erhöhen. Solche Bestrebungen werden
in den
US-Patenten Nr. 5.656.791 und
5.814.758 umrissen. Zusätzlich beschreibt
die
FR 2.552.869 eine
Explosivladung für
einen Sprengkopf. Der panzerbrechende Sprengkopf besitzt zwei Hohlladungen.
Die Hauptladung verfügt über eine
Auskleidung, umfassend:
- a) Ein Gemisch aus
pulverisiertem Schwermetall und pulverisiertem Polymerbinder, welches
durch Zusammenpressen zu einem starren Körper geformt ist und/oder
- b) ein mit Polymer beschichtetes Schwermetallpulver, welches
durch Zusammenpressen zu einem starren Körper geformt ist.
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Erfolge
in der Kunst des Erzeugens von Auskleidungen aus zusammengepresstem
Schwermetallpulver werden durch die Bemühungen eingeschränkt, geeignete
Bindemittel aus elementaren Metallen und Legierungen zu ermitteln.
Ein besonders schwerwiegendes Problem wird dadurch angetroffen,
dass die Materialeigenschaften der verschiedenen Bestandteile des
Metallpulvers, insbesondere Teilchengröße, Teilchenform und Teilchendichte
variieren können.
Die Vermischung der Gemische muss sehr sorgfältig durchgeführt werden,
um ein Trennung der Pulverbestandteile zu vermeiden, welches zu
einer Auskleidung mit mangelhafter Leistung führt. Weitere Schwierigkeiten
werden bei Metallpulverauskleidungen dadurch angetroffen, dass die
Metalle einer Korrosion unterliegen. Es wurden Anstrengungen unternommen,
um fertige Auskleidungen mit Öl
oder anderem Material zur Vermeidung von Korrosion zu beschichten.
Diese Anstrengungen hatten nur ungenügenden Erfolg.
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Ein
weiteres, aus dem Stand der Technik bekanntes Problem bei Metallpulverauskleidungen
ist der Bedarf an hinzugefügten
Schmiermitteln, um die Herstellung der gepressten Auskleidungen
zu erleichtern. Üblicherweise
wird pulverisiertes Graphit zu dem Metallpulvergemisch hinzugefügt, welches zwangsläufig die
Menge an enthaltenem Schwermetall in der fertigen Auskleidung reduziert.
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Nach
vielen Untersuchungen und Studien setzt die vorliegende Erfindung
verschiedene Polymere in Kombination mit Schwermetallpulvern ein, um
verbesserte gepresste Hohlladungsauskleidungen herzustellen. Die
Erfindung ermöglicht
einen höheren
Gehalt an Schwermetall, welcher zu einer besseren Leistung der Auskleidung
führt.
Die Auskleidungen nach der Erfindung besitzen auch eine verbesserte
Korrosionsbeständigkeit
und einen verminderten Bedarf an Schmiermittelzusätzen.
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Die
Erfindungen stellen Hohlladungsvorrichtungen zur Nutzung in einer
unterirdischen Bohrung zur Verfügung.
Im Allgemeinen sehen die Erfindungen eine verbesserte Auskleidung
für eine
Hohlladung vor, welche aus einer Kombination von pulverisiertem
Metall und ausgewähltem
Polymermaterial aufgebaut ist.
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Nach
einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Perforationskanonenvorrichtung
zur Nutzung beim Perforieren von unterirdischen Bohrungen bereit
gestellt, wobei die Perforationskanonenvorrichtung eine Mehrzahl
von Hohlladungen umfasst und jede Hohlladung eine Auskleidung besitzt,
welche umfasst:
- a) Ein Gemisch aus pulverisiertem
Schwermetall und pulverisiertem Polymerbinder, welches durch Zusammenpressen
zu einem starren Körper
geformt ist und/oder
- b) ein polymerbeschichtetes Schwermetallpulver, welches durch
Zusammenpressen zu einem starren Körper geformt ist.
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Vorzugsweise
ist der starre Körper
im Wesentlichen kegelförmig.
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Das
Schwermetallpulver besteht vorzugsweise aus Wolfram, Tantal, Hafnium,
Blei, Bismut, Zinn, Kupfer oder einem Gemisch besagter Metalle. Das
besonders bevorzugte Metallpulver besteht aus Wolfram.
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Der
Massenanteil von Schwermetall in dem Gemisch ist vorzugsweise in
einem Bereich von im Wesentlichen 90,0 % bis im Wesentlichen 99,98
%, besonders bevorzugt von im Wesentlichen 99,0 % bis im Wesentlichen
99,98 % Massenanteile.
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In
einer Ausführung
umfasst das Polymer einen Fluorkohlenwasserstoff. Das Polymer kann
ein Polytetrafluorethylen, ein Polybutadien oder ein Polyimid sein.
Vorzugsweise ist das Polymer TEFLON.
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Der
Massenanteil von Polymer in dem polymerbeschichteten Schwermetallpulver
liegt vorzugsweise in einem Bereich von im Wesentlichen 0,02 % bis
im Wesentlichen 10,0 % und besonders bevorzugt im Wesentlichen 0,02
% bis im Wesentlichen 1,0 % Massenanteile.
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Vorzugsweise
umfasst das Gemisch ferner im Wesentlichen 0,02 % bis im Wesentlichen
1,0 % Massenanteile Schmiermittel. Das Schmiermittel beinhaltet
vorzugsweise pulverisiertes Grafit oder Öl.
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Es
wird nun Bezug auf die folgenden angefügten Zeichnungen genommen:
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1 ist
eine Seitenansicht von einer Ausführung einer axialsymmetrischen
Hohlladung nach der Erfindung und
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2 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in 1
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Die
vorliegende Erfindung wird beschrieben mit Bezug auf Zeichnungen,
welche ein oder mehrere Beispiele aufzeigen, wie die Erfindung ausgeführt und
benutzt werden kann. In diesen Zeichnungen werden Bezugszeichen
durchgehend in allen verschiedenen Ansichten benutzt um gleiche
oder entsprechende Bestandteile kenntlich zu machen. Die Zeichnungen
sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht
und die Proportionen bestimmter Bestandteile wurden überhöht, um Details
und Eigenschaften der Erfindung besser zu veranschaulichen.
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Die
Vorrichtungen und Methoden der Erfindung werden generell in 1 und 2 dargestellt. Eine
kegelförmige
symmetrische Hohlladung 10 wird aufgezeigt. Die Hohlladung
ist für
eine Perforationskanone dimensioniert, welche üblicherweise zum Perforieren
von unterirdischen Bohrungen und Formationen benutzt wird. Typischerweise
wird eine Mehrzahl von Hohlladungen in einem im Wesentlichen spiralenförmigen Muster
auf der Perforationskanonenvorrichtung angeordnet. Die exakte Größe und Form
der Hohlladungen oder der Anordnung der Perforationskanone sind
für die
Erfindung nicht entscheidend. Die Hohlladung 10 wird von
einem Gehäuse 12 umschlossen.
Im Allgemeinen ist das Gehäuse 12 im
Wesentlichen zylinderförmig
oder konisch. Der Begriff „konisch" wird hier zur Bezeichnung
von Formen benutzt, welche im Wesentlichen konisch oder die Form
eines abgestumpften Kegels oder Kegelstumpfs haben. Wiederum ist
die exakte Form des Gehäuses
für die
Erfindung nicht entscheidend. Bei einer Benutzung wird die Perforationskanone
(nicht dargestellt) an einer unterirdischen, hier als Ziel 14 bezeichneten
Position platziert, bei der eine Perforation der Bohrlochverrohrung
und/oder der Formation erwünscht
ist. Die Hohlladung besitzt eine Mündung 16, welche gegen
das Ziel 14 ausgerichtet ist, und ein entgegen gesetztes
geschlossenes Ende 18.
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Es
wird nun hauptsächlichen
Bezug auf 2 genommen, in der das Gehäuse 10 im
Schnitt dargestellt ist, wobei auffällt, dass das geschlossene Ende 18 eine
relativ kleine Öffnung 20 besitzt,
die mit einer Sprengschnur 22 verbunden ist. Die Sprengschnur 22 ist üblicherweise
mit einem im Stand der Technik bekannten Sprengschaltkreis (nicht
dargestellt) verbunden. Das Gehäuse 10 enthält eine
vorgegebene Menge von hochbrisantem Sprengstoff 24, welcher
allgemein im Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise RDX,
HMX, HNS, CL-20, NONA, BRX, PEIN oder PYX. Eine im Wesentlichen
konische Auskleidung 26 ist in dem Gehäuse 12 zwischen dem
hochbrisantem Sprengstoff 24 und der Mündung 16 angeordnet,
vorzugsweise so, dass der hochbrisante Sprengstoff 24 das
Volumen zwischen dem Gehäuse 12 und
der Auskleidung 26 ausfüllt. Die
Auskleidung 26 ist üblicherweise
mit Klebstoff (nicht dargestellt) an dem Gehäuse befestigt, aber ein Haltering
oder eine Haltefeder kann auch verwendet werden. Mit der Detonation
des hochbrisanten Sprengstoffs 24 wird die Auskleidung 26 zersetzt
und das Auskleidungsmaterial durch die Mündung 16 in das Ziel 14 getrieben.
Es ist dem Fachmann bekannt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Auskleidung
bei der Detonation des hochbrisanten Sprengstoffs zersetzt wird
und eine maximal mögliche
Masse und Geschwindigkeit besitzt.
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Weiter
hauptsächlich
Bezug auf 2 nehmend, wird die Auskleidung 26 bevorzugt
durch Zusammenpressen von pulverisiertem Metall und pulverisiertem
Polymerbindermaterial unter sehr hohem Druck zum Formen eine starren
Körpers
ausgebildet. Der Vorgang des Formens der Auskleidung durch Zusammenpressen
von pulverisiertem Metall und pulverisiertem Polymerbindermaterial
ist dem Fachmann verständlich.
Das pulverisierte Metall ist vorzugsweise Wolfram, kann aber irgendein
Metall oder ein Gemisch von Metallen sein. Metalle mit hoher Dichte,
hoher Biegsamkeit und Fähigkeit
zum Erreichen einer hohen Schallgeschwindigkeit werden bevorzugt.
Aus der Gruppe von Wolfram, Tantal, Hafnium, Blei, Bismut, Zinn
und Kupfer ausgewählte
Metalle sind besonders geeignet, aber andere Metalle können auch
verwendet werden, wobei die Kosten oft einen bedeutenden Einfluss
haben. Vorzugweise liegt der Massenanteil von Schwermetall, bevorzugt Wolfram,
in der Auskleidung in dem Bereich von ungefähr 99,0 % bis 99,98 %. Optional
kann ein Anteil im Bereich von ungefähr 90,0 % bis 99,8 % verwendet
werden.
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Der
Massenanteil von Polymer, bevorzugt TEFLON, eine registrierte Marke,
in dem Gemisch liegt vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 0,02
% bis 1,0 %, aber Anteile in einem Bereich von ungefähr 1,0 %
bis 10 % können
auch verwendet werden. Wahlweise können andere Polymere benutzt
werden, wie beispielsweise ein Fluorkohlenwasserstoff, welcher aus
der Gruppe von Polytetrafluorethylen, Polybutadienen und Polyimiden
ausgewählt
wird, aber nicht auf diese beschränkt ist.
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Die
Erfindung besitzt die Vorteile, dass sie die Schwierigkeiten beim
Aufrechterhalten der Gleichförmigkeit
des Metallpulvergemisches reduziert und dass sie den Anteil von
Schwermetallen in der Auskleidung auf Werte erhöht, welche aus dem Stand der
Technik nicht bekannt sind.
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Wahlweise
kann die Auskleidung
26 auch ungefähr 0,02 % bis 1,0 % Massenanteile
Schmiermittel enthalten. Pulverisiertes Grafit ist ein, aus dem Stand
der Technik bekanntes, bevorzugtes Schmiermittel, aber Öle können ebenfalls
verwendet werden. Einige Öle,
beispielsweise Leinsamenöl
oder Tungöl oder
andere ungesättigte
organische Verbindungen, sind nützlich
zum Vermeiden von Korrosion bei dem pulverisierten Metall der Auskleidung,
wie in dem
US-Patent Nr. 4.794.990 offenbart
wird.
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Die
zurzeit am meisten bevorzugte Ausführung der Erfindung verwendet
eine Auskleidung 26, welche aus einem polymerbeschichtetem
Schwermetallpulver aufgebaut ist, das durch Zusammenpressen zu einem
starren Körper
ausgeformt ist. Der Vorgang der Beschichtung des Schwermetallpulvers mit
einem Polymer ist dem Fachmann bekannt. Das polymerbeschichtete
Schwermetallpulver wird dann unter einem sehr hohen Druck zu einem
starren Körper
zusammengepresst. Gegenwärtig
sind Wolfram und TEFLON, jeweils als Schwermetall und als Polymerbeschichtung
bevorzugt, obwohl auch die mit Bezug auf die obige Ausführung beschriebenen
alternativen Metalle und Polymere benutzt werden können. Vorzugsweise
liegt der Massenanteil von Wolfram in der Auskleidung in einem Bereich
von ungefähr
99,0 % bis 99,98 %, es können
aber auch Anteile in einem Bereich von ungefähr 90,0 % bis 99,98 % verwendet werden.
Der Massenanteil von TEFLON, eine registrierte Marke, in dem Gemisch
liegt bevorzugt in einem Bereich von ungefähr 0,02 % bis 1,0 %, wahlweise
können
aber auch Anteile im Bereich von ungefähr 1,0 % bis 10 % verwendet
werden.
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Gegenwärtig hat
die am meisten bevorzugte Ausführung
der Erfindung die Vorteile, dass sie die Schwierigkeiten beim Aufrechterhalten
der Gleichförmigkeit
des Metallpulvergemisches reduziert und dass sie den Anteil von
Schwermetallen in der Auskleidung auf Werte erhöht, welche aus dem Stand der
Technik nicht bekannt sind. Einer der zusätzlichen Vorteile ist, dass
der Bedarf an Schmiermittelzusätzen
und Korrosionsschutz-Zusätzen
durch das Vorliegen einer Polymerbeschichtung beseitigt wird, welche
bei jedem Metallteilchen sowohl schmierende als auch Korrosion verhindernde
Eigenschaften besitzt.
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Eine
zusätzliche
alternative Ausführung
der Erfindung verwendet eine Auskleidung 26, welche aus
einer Kombination der beschriebenen Bestandteile der ersten zwei
Ausführungen
aufgebaut ist. Das heißt,
dass ein Gemisch aus Schwermetallpulver und Polymerbinderpulver
in Kombination mit polymerbeschichtetem Schwermetallpulver zur Ausbildung
einer Auskleidung 26 verwendet werden kann. Ebenfalls können die
gleichen Größenverhältnisse
und Variation der Inhaltsstoffe, wie sie mit Bezug auf die ersten
zwei Ausführungen
beschrieben wurden, bei dieser zusätzlichen Ausführung zum
Einsatz kommen.
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Die
oben aufgezeigten und beschriebenen Ausführungen sind beispielhaft.
Viele Details werden im Stand der Technik aufgefunden, wie beispielsweise:
Arten von hochbrisantem Sprengstoff, Größe und Form von Hohlladungen
und Anordnungen von Perforationskanonenvorrichtungen. Daher ist
zur Kenntnis zu nehmen, dass die Erfindung modifiziert werden kann.