NO310741B1 - Tennhode for perforeringskanon - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår perforeringskanoner for perforering av foringsrør i en brønn, og særlig i en brønn som produserer hydrokarboner. Mer spesielt angår foreliggende oppfinnelse et tennhode som kan påvirkes mekanisk eller av et differensielt fluid-trykk eller av et absolutt fluid-trykk for å detonere en perforeringskanon som befinner seg nede i en brønn.

Ved produksjon av olje og gass fra en geologisk forma-sjon under overflaten, er det vanlig å installere et forings-rør i brønnen som er boret i formasjonen. For å produsere hydrokarbon-fluider fra formasjonen, blir foringsrøret perfo-rert ved hjelp av en perforeringskanon som inneholder flere, formede, eksplosive ladninger som påvirkes av et tennhode. Når tennhodet påvirkes, detoneres et primært eksplosivt stoff og tenner en overgangsladning (booster charge) som er for-bundet med en fengsnor (primer cord). Fengsnoren overfører en detonasjonsbølge til de formede ladninger som aktiveres for å skape eksplosive gass-strømmer som gjennomtrenger såvel for-ingsrøret som de omgivende geologiske formasjoner.

Eksisterende tennhoder aktiviseres ved hjelp av mekaniske, hydrauliske, eller elektriske mekanismer. Enkelte mekaniske tennhoder blir påvirket ved at en vekt (benevnt "hane" (go devil)) faller eller pumpes inn i brønnrøret. Vekten beveger seg gjennom brønnrøret og støter sammen med et stempel for å drive en tennstang inn i tennsatsen. Andre mekaniske tennhoder lar vekten falle for utløsning av en tennstangholder, slik at fluid inne i brønnrøret kan presse tennstangen inn i tennladningen. US-patent nr. 4.924.952 (Schneider) viser f.eks. en detoneringsanordning som aktiviseres av et verktøy festet til en kabel, eller av en vekt, for mekanisk frigjøring av en fluid-forspent tennstang så den får kontakt med detoneringshodet.

Tennhoder som benytter differensialtrykk og særlig reagerer på et differensialtrykk mellom trykket i fluidet i røret og trykket i ringrommet mellom foringsrøret og brønnen, er også kjent. Når trykket i produksjonsrøret overskrider trykket i foringsrøret med en forutvalgt verdi, aktiviseres tennanordningen for å detonere perforeringskanonene. En lås kan på typisk måte holde en tennstang i posisjon for å hindre utilsiktet detonasjon av perforeringskanonene. Når trykket i produksjonsrøret overskrider trykket i ringrommet, vil låsen frigjøre tennstangen, og trykket i produksjonsrøret driver tennstangen til kontakt med detonatoren. I US-patent nr. 4.836.109 (Wesson) vil et differensialtrykk påvirke et stempel idet dets høytrykksside står i forbindelse med en posisjon under pakningen mens lavtrykkssiden kommuniserer med en isolert sone i brønnen. I US-patent nr. 4.509.604 (Upchurch) kommuniserer et stempel som drives av et differensialtrykk på høytrykkssiden med en posisjon over pakningen og på lavtrykkssiden med den isolerte sone i brønnen.

US-patent nr. 4.911.251 (George m.fl.) viser en tennhode som påvirkes mekanisk eller hydraulisk av en kraft som gene-reres ved kombinert drift av tre stempler. Et påvirknings-stempel blir slått av en "hane" eller påvirket av et kabeltilknyttet verktøy. Den mekaniske frigjøring av påvirknings-stemplet utløste her et første tenn-stempel, slik at trykket i produksjonsrørets fluid kunne drive et første stempel inn i tennladningen. Alternativt kunne fluid-trykket inne i produk-sjonsrøret økes mot et andre tenn-stempel for å drive dette andre tenn-stempel og det dertil festede første tenn-stempel til kontakt med tennsatsen. Differensialtrykket som virker mot det andre tenn-stempel, var her produksjonsrørets trykk minus det lavere trykk i en forseglet utsparing i huset.

En lignende hydraulisk påvirkningsanordning er vist i US-patent nr. 4.969.525 (George m.fl.), hvor et stempel som drives av et differensialtrykk blir beveget til å frigjøre en tennstang. Høytrykkssiden av stemplet kommuniserer med den isolerte brønnsone, og lavtrykkssiden av stemplet kommuniserer med et forseglet kammer hvor atmosfærisk trykk råder. Et mekanisk eller hydraulisk reserve-tennhode ble posisjonert over det egentlige tennhodet og ble festet til tennladningen ved hjelp av en detonerende lunte. Dersom dette reservetenn-hodet blir hydraulisk betjent, kan påvirkningstrykket bli innstilt til et nivå som avviker fra nivået til det egentlige tennhodet for å styre rekkefølgen til tenningen av tennhodene.

I US-patent nr. 5.050.672 (Huber m.fl.) blir en perforeringskanon festet til produksjonsrøret og skjøvet inn i brønnen uten noe tennhode. Et tennhode som blir styrt av differensialtrykk blir deretter senket ned til en posisjon nær inntil perforeringskanonen, og kan på separat måte blir trukket opp fra brønnen dersom tennhodet ikke fungerer.

Elektrisk påvirkbare tennhoder er blitt benyttet til å detonere perforeringskanoner. US-patent nr. 5.115.865 (Carisella m.fl.) beskriver ulike elektriske detonerings-teknikker og omhandler dessutén sikkerhetsteknikker for å hindre detonering av perforeringskanoner i utide.

US-patent nr. 5.287.924 og 5.355.957 (Burleson m.fl.)

viser såvel et første som et andre trykkpåvirket tennhode som blir plassert nede i en brønn, og hvor trykket til et påvirk-nings -fluid på selektiv måte blir isolert fra det andre tennhodet inntil det første tennhodet er påvirket. Denne løsning-en gir en teknikk for selektiv perforering av flere brønn-soner. Det påvirkende fluid-trykk for tennhodene til hver kanon blir skaffet tilveie gjennom utboringen i produksjons-

røret, og driftstrykket for hvert tennhode blir fastlagt av antall skjær-pinner som holder igjen hvert tennstempel.

US-patent nr. 5.366.014 (George) viser et modulært perforeringssystem med flere kanoner som tillater installa-sjon, påvirkning og fjerning av flere perforeringskanoner i form av moduler som føres på kveilerør eller lignende mekanismer.

Bruken av tennhoder av forskjellig sort for perforeringskanoner krever typisk lagring og bruk av mekaniske og hydrauliske tennhoder. Kostnadene som skriver seg fra svikt-ende tennhoder, oppmuntrer til bruk av sekundære tilleggs-tennhoder i brønnen, noe som øker verktøystrengens lengde og kostnadene for drift av brønnen. Følgelig er det et behov for et kombinert tennhode som på pålitelig måte kan betjenes ved hjelp av mekaniske, og/eller hydrauliske hjelpemidler, og som automatisk oppviser en reserveanordning som gir mulighet for fornyet avfyring eller tenning.

Foreliggende oppfinnelse angår et forbedret tennhode for påvirkning av en eksplosiv ladning i en perforeringskanon posisjonert nede i en brønn. Et hult hus har en port innrettet for å overføre trykk mellom brønnen og et innvendig rom inne i huset. En tennstang er anbragt i en slik stilling at den vil kunne slå mot den eksplosive ladning, en utløser-eller frigjøringsstift sikrer i utgangspunktet tennstangen, og frigjøringsstiften eller utløserstiften er anordnet bevegelig for å påvirke tennstangen. Et stempel er på frigjør-bar måte tilforordnet frigjøringsstiften, og stemplet er bevegelig som reaksjon på trykkforandringer inne i huset for å bevege frigjøringsstiften slik at tennstangen kan påvirkes.

Ved en annen utførelse av foreliggende oppfinnelse kan en første tilholder i utgangspunktet sikre tennstangen, mens en andre tilholder på løsbar måte kan forbinde frigjørings-stiften til et differensialstempel. Bevegelse av differensialstemplet forårsaker at frigjøringsstiften påvirker tennstangen, og en mekanisk påvirkning av frigjøringsstiften kan alternativt løsgjøre frigjøringsstiften fra differensialstemplet for å påvirke tennstangen.

Foreliggende oppfinnelse tillater påvirkning av tennstangen ved styring av differensialtrykket mellom husets innvendige del og brønnen, men også ved hjelp av mekaniske teknikker. Dessuten kan husets port bli plugget i en annen utførelse av oppfinnelsen, for å muliggjøre påvirkning av tennstangen ved hjelp av det absolutte trykk inne i huset.

Dette oppnås ved å utforme tennhodet i overensstemmelse

med de nedenfor fremsatte patentkrav.

For å gi en klarere forståelse av foreliggende oppfinnelse vises til nedenstående beskrivelse av utførelseseksemp-ler samt til de ledsagende tegninger, hvor:

Fig. 1 viser et tverrsnitt av oppfinnelsen,

fig. 2 viser en utførelse av oppfinnelsen i den stilling den har etter at utløsningsstiften er blitt mekanisk påvirket av en vekt som er i bevegelse,

fig. 3 viser en utførelse av oppfinnelsen hvor et differensialstempel er blitt påvirket av differensialtrykket mellom trykket i huset og trykket i brøn-nen , og

fig. 4 viser en utførelse av oppfinnelsen hvori portene plugges slik at tennstangen blir påvirket av det absolutte trykk inne i huset.

Foreliggende oppfinnelse angår et forbedret tennhode for aktivering av en perforeringskanon. Det vises til fig. 1, hvor tennhodet 10 kan betjenes for å tenne forsterkningsladningen 12 som er festet til luntetråden 14. Som tidligere kjent innenfor dette fagområdet vil en detonering av forsterkningsladningen 12 generere en detonasjonsbølge som overføres gjennom luntetråden 14 for å detonere de formede ladninger (ikke vist).

Tennhodet 10 omfatter generelt huset 16, tennstangen 18, utløsningsstiften 20 og stemplet 22. Tennstangen 18 er i utgangspunktet sikret ved hjelp av utløsningsstiften 2 0 og frigjøres ved bevegelse av utløsningsstiften 20 inne i huset 16. Utløsningsstiften 20 kan omfatte en fjærholder 24 som i utgangspunktet står i inngrep med utsparingen 26 i tennstangen 18. En bevegelse av utløsningsstiften 20 i en hvilken som helst lengdeveis retning inne i huset 16, vil påvirke holderen 24 slik at denne frigjøres fra utsparingen 2 6 og dermed frigjør tennstangen 18 som dermed kan bevege seg inne i huset 16 mot forsterkningsladningen 12.

Ved en utførelse av oppfinnelsen, som vist i fig. 1, omfatter stemplet 22 et differensialstempel med en første ende 28 og en andre ende 30, samt en midtseksjon 32. Selv om stemplet 22 er vist som et differensialstempel, kan stemplet 22 har samme størrelse i begge ender ved andre konfigurasjoner av oppfinnelsen. Stemplet 22 er på frigjørbar måte festet til utløsningsstiften 2 0 av en holder eller kobling vist i form av skjærpinner 34. Huset 16 er festet til pro-duksjonsrøret 3 6 og til perforeringskanonen 38. Forseglinger 40 lukker ringrommet mellom huset 16, produksjonsrøret 3 6 og perforeringskanonen 38. Fluid 42 rommes i det innvendige av hus 16, mens fluid 44 er til stede på utsiden av hus 16. Fluidet 44 er generelt definert som "brønn-fluid" og kan innbefatte et hvilket som helst fluid eller gass som foreligger utenfor huset 16, som mer fullstendig beskrevet nedenfor. I de tilfeller da et foringsrør er installert i brønnen, vil fluidet 44 omfatte et fluid i ringrommet mellom den ytre overflate til huset 16 og den indre overflate til brønnrøret. I en brønn som er forsynt med et foringsrør og med ringformede pakninger over og under tennhodet 10, kan fluidet 44 omfatte en gass, slik som luft under atmosfærisk trykk, og dette vil frembringe et område eller en sump med lavt trykk. Ved andre konfigurasjoner og andre bruksområder kan fluidet 44 kommunisere med andre områder i brønnen , f.eks. over en pakning, under en pakning, med utstyr ved brønnens overflate, eller kan endog kommunisere med forskjel-lige geologiske lag.

Tennstangen 18 omfatter et tennhode 46 innrettet til å kontakte forsterkningsladningen. Dersom det er ønskelig, kan innsatsen 48 i huset være anbragt inne i eller kan omfatte endel av huset 16, og skjærpinnen 50 kan i utgangspunktet fastholde tennstangen 18 i en fast posisjon i forhold til forsterkningsladningen 12. Tennstangen 18 har en ende 52 innrettet for å kontakte fluidet 42 slik at det hydrostatiske trykk i fluidet 42 utøver en kraft mot denne fluid-kontakt-enden 52.

I fig. 2 er det vist en utførelse av oppfinnelsen hvor tennstangen 18 er blitt påvirket av en bevegelig vekt 54 . Vekten 54 kan bli bragt til å falle ned fra brønnens overflate i en hovedsakelig vertikal brønn, eller kan pumpes gjennom produksjonsrøret 36 i en skrånende eller horisontal brønn. Når vekten 54 kommer i kontakt med utløsningsstiften 2 0 vil vekten 54 utøve en kraft som bryter av skjærpinnene 34 og presser utløserstift 20 mot forsterkningsladningen 12. Ut-løserstift 20 frigjør holderen 24 fra utsparingen 26, og det hydrostatiske trykk til fluidet 42 kontakter enden 52 og driver dermed tennstangen 18 mot forsterkningsladningen 12 som angitt i fig. 2.

I steden for vekten 54 kan andre mekaniske teknikker benyttes for å bevege utløsningsstiften 20. Slike teknikker omfatter kabler, glatte utløsertråder, rørstyrte operasjoner samt andre teknikker som er tidligere kjent innen dette fag-felt.

Fig. 3 viser en annen drift av tennhodet 10 hvori differensialtrykket mellom fluidet 42 og fluidet 44 styres for å påvirke tennstangen 18. I denne utførelse av oppfinnelsen utøver trykket fra fluidet 42 en kraft mot flatene 56 og 58. Forskjellen i overflateareal multiplisert med trykket som råder i fluidet 42, genererer en resulterende kraft forårsaket av fluidet 42. Porten(e) 60 i huset 16 leder

brønn-fluid 44 inn i hulrommet 62 i huset 16. Som vist i fig. 3, kontakter brønn-fluidet 44 den midtre seksjon 32 av stemplet 22. Fluidet 44 forefinnes i rommet 62 og er avgrenset av pakningene 64, og kontakter stempeloverflåtene 66 og 68 og genererer derved en resulterende kraft mot stemplet 22. Dersom trykket av fluidet 44 inne i rommet 62 er lavere enn trykket i fluidet 42, vil en resulterende kraft utøves mot stemplet 22 i en slik retning at stemplet 22 vil beveges fra sin utgangsstilling vist i fig. 1.

Som vist i fig. 3 er trykket i fluid 42 blitt øket til et nivå hvori differensialtrykket mellom fluidet 42 og fluidet 44 skaper en resulterende kraft som tvinger den andre enden 30 av stemplet 22 til skjærhoideren 70, og tillater derved bevegelse av stemplet 22 bort fra forsterkningsladningen 12. Når stemplet 22 beveger seg i en slik retning inne i huset 16, vil skjærstiftene 34 fastholde utløsnings-stiften 20 i forhold til stemplet 22 og bevege utløserstiften 20 i overensstemmelse med dette. En slik bevegelse av utløserstift 2 0 påvirker holderen 24 til å frigjøres fra utsparingen 26, og dermed frigjøres tennstang 18 slik at den kan bringes i kontakt med forsterkningsladningen 12.

Trykket i fluidet 42 kan styres fra brønnens overflate for å skape et tilstrekkelig høyt trykkdifferensial mellom fluidet 42 og fluidet 44 til at stemplet 22 beveger seg. Orienteringen av slike komponenter og det relative trykket mellom fluidet 42 og fluidet 44, kan modifiseres slik at bevegelsesretningen til stemplet 22 og utløsningsstiften 2 0 forandres. Som et illustrativt eksempel kan trykket til fluidet 42 senkes til under trykket til fluidet 44 for å bevege stemplet 22 mot forsterkningsladningen 12. Ved et slikt eksempel vil skjærstiftene 34 kunne holde utløsnings-stif ten 20 fast i forhold til stemplet 22, og stempel-skulderen 72 vil kontakte den stiftutløsende skulder 74 slik at denne tvinger utløserstiften 20 mot tennladningen 12. En slik bevegelse vil fristille holderen 24 og tillate at tennstangen 18 kontakter forsterkningsladningen 12 som tidligere beskrevet.

Fig. 4 illustrerer en ytterligere drift av foreliggende oppfinnelse hvori plugger 76 er posisjonert i portene 60. Ved denne utførelsen kan trykket i fluidet 42 økes til et valgt nivå som er tilstrekkelig høyt til å bryte skjærholderen 70. Følgelig vil i dette tilfelle oppfinnelsen arbeide i henhold til det absolutte trykk i fluidet som forårsaker at stemplet 22 og den dertil festede utløsningsstift 20 beveger seg i samme bevegelsessekvens som beskrevet ovenfor når differensialtrykket forårsaker utslaget. Selv om pluggene 76 kan installeres ved brønnoverflaten, kan pluggene 76 også omfatte en ventil som fjernstyres fra brønnoverflaten. Disse trekkene ved oppfinnelsen tillater hydraulisk drift av tennhodet 10 uavhengig av trykkfluktuasjoner i fluidet 44.

Oppfinnelsen tilveiebringer et apparat som tillater at et tennhodeverktøy utløses mekanisk, ved hjelp av differensialtrykk i fluidet, eller ved hjelp av et absolutt fluid-trykk. Denne kombinasjon av fleksible driftsmuligheter tillater at ett og samme verktøy kan benyttes ved flere ulike anvendelser, eliminerer dessuten behovet for flere tennhoder i brønnen, og inkorporerer en intern back-up eller reserve-mulighet for tennhodet dersom den primære tennsekvensen skulle svikte. F.eks. vil svikt i trykket som skal utløse tennoperasjonen kunne overvinnes ved mekanisk betjening som påvirker utløserstiften slik at tennstangen beveges, eller svikten kan overvinnes ved å stenge portene 60 for derved å tillate at et absolutt trykk påvirker tennhodet 10.

Claims (14)

1. Tennhode for antenning av en eksplosiv ladning i en perforeringskanon anbragt nede i en brønn, hvor tennhodet omfatter et hult hus (16), og en tennstang (18) innrettet for anslag mot den eksplosive ladning (12), karakterisert ved at tennhodet også omfatter en frigjøringsstift (2 0) for fastholding av tennstangen (18), hvor bevegelse av frigjøringsstiften (20) frigjør tennstangen (18) slik at denne kontakter den eksplosive ladning (12), et stempel (22) som på frigjørbar måte står i inngrep med frigjøringsstiften (20), og hvor stemplet (22) er bevegelig som reaksjon på trykkforandringer inne i det hule huset (16) for å bevege frigjøringsstiften (20) slik at den frigjør tennstangen, og hvor frigjøringsstiften (20) er mekanisk frigjørbar fra inngrep med stemplet (22) for å bevege utløsningsstiften (2 0) til frigjøring av tennstangen (18), og at det hule hus (16) har minst én port (60) som er innrettet til å formidle et trykk (44) mellom et område i brønnen utenfor huset (16) og et innvendig rom (62) i huset (16).

2. Tennhode ifølge krav 1, karakterisert ved at stemplet er innrettet til å bevege seg som reaksjon på en valgt trykkøkning inne i huset (16) .

3. Tennhode ifølge krav l eller 2, karakterisert ved at det dessuten omfatter en stempelholder (34) innrettet for i utgangspunktet å sikre stemplet (22) til huset (16), idet stempelholderen (34) frigjør stemplet (22) når trykket (42) inne i huset (16) når et valgt nivå.

4. Tennhode ifølge krav 1, karakterisert ved at utløsningsstiften (20) kan beveges av et kabeltilknyttet verktøy for mekanisk å fri-gjøre utløsningsstiften (20) fra inngrep med stemplet (22).

5. Tennhode for antenning av en eksplosiv ladning i en perforeringskanon anbragt nede i en brønn, hvor tennhodet omfatter et hult hus (16) innrettet til å romme et fluid under trykk fra brønnoverflaten, og en tennstang (18) inne i huset (16) innrettet for å støte sammen med en eksplosiv ladning (12), karakterisert ved at tennhodet også omfatter: en første holder (24) for å fastholde tennstangen (18), en frigjøringsstift (20) som står i inngrep med den første holderen (24) for fastholding av tennstangen (18) , og hvor en bevegelse av utløsningsstiften (2 0) frigjør den første holderen slik at den tillater at tennstangen (18) kontakter den eksplosive ladning (12), og et differensialstempel (22) inne i huset (16) innrettet slik at det er bevegelig som reaksjon på endringer i fluid-trykket (42) inne i huset (16), minst én port (60) i huset innrettet for å overføre brønntrykket (44) til differensialstemplet (22), og en andre holder (34) innrettet til å stå i inngrep på frigjørbar måte med differensialstemplet (22) og frigjøringsstiften (20), idet den andre holder fester frigjøringsstiften (20) til differensialstemplet (22) for frigjøring av den første holder når differensialstemplet (22) beveges av forandringer i fluid-trykket, og hvor den andre holder bringer frigjøringsstiften (20) ut av inngrep med differensialstemplet (22) når frigjøringsstiften (20) blir mekanisk påvirket.

6. Tennhode ifølge krav 5, karakterisert ved at porten(e) (60) over-fører brønntrykket (44) til et innvendig rom (62) i huset (16), og hvor dette innvendige (62) rom utgjør lavtrykkssiden til differensialstemplet (22).

7. Tennhode ifølge krav 5, karakterisert ved at utløsningsstiften (20) er anbragt konsentrisk inne i differensialstemplet (22).

8. Tennhode ifølge krav 1 eller 5, karakterisert ved at det dessuten omfatter en ventil innrettet til å påvirkes, fortrinnsvis fra brønn-overflaten for selektiv stenging av porten(e) (60).

9. Tennhode for antenning av en eksplosiv ladning i en perforeringskanon anbragt nede i en brønn, hvor tennhodet omfatter et hult hus (16) som opptar et fluid som er trykksatt fra brønnoverflaten, og en tennstang (18) inne i huset (16) innrettet til å støte sammen med den eksplosive ladning (12), karakterisert ved at tennhodet også omfatter: en første holder (24) innrettet for fastholding av tennstangen (18) , en frigjøringsstift (20) som står i inngrep med den første holder for sikring av tennstangen (18), idet bevegelse av frigjøringsstiften (20) frigjør den første holder (24) slik at det tillates at tennstangen (18) tvinges av det trykksatte fluid til kontakt med den eksplosive ladning (12), et differensialstempel (22) anbragt inne i huset (16) og posisjonert konsentrisk omkring frigjøringsstiften (20), idet differensialstemplet (22) er innrettet slik at det er bevegelig som reaksjon på endringer i fluid-trykket (42) inne i huset (16) , minst én port (60) i huset (16) innrettet for å overføre brønntrykket (44) til differensialstemplet (22) , og en andre holder (34) innrettet til på frigjørbar måte å forbinde differensialstempelet (22) med frigjøringsstiften (20), idet den andre holder (34) forbinder frigjøringsstiften (2 0) med differensialstempelet (22) for frigjøring av den første holder (24) når det nevnte differensialstempel (22) beveges av forandringer i fluid-trykket, og hvor den andre holder (34) bringer frigjøringsstiften (20) ut av inngrep med differensialstempelet (22) når frigjøringsstiften (20) blir mekanisk påvirket.

10. Tennhode ifølge krav 5 eller 9, karakterisert ved at det dessuten omfatter en plugg (76) for selektiv blokkering av porten(e) (60).

11. Tennhode ifølge krav 5 eller 9, karakterisert ved at porten(e) (60) over-fører brønntrykket (44) til en lavtrykksside av differensialstemplet (22) .

12. Tennhode ifølge krav 5 eller 9, karakterisert ved at det dessuten omfatter en stempelholder (34) for stemplet (22) innrettet til i utgangspunktet å fastholde stemplet til huset (16), idet stempelholderen (34) frigjør differensialstemplet (22) når trykket (42) inne i det hule huset (16) når et valgt nivå.

13. Tennhode ifølge krav 1 eller 9, karakterisert ved at utløsningsstiften (20) er innrettet til å bli kontaktet av en bevegelig vekt (54) inne i huset (16) for mekanisk å frigjøre den fra inngrep med differensialstemplet (22).

14. Tennhode ifølge krav 9, karakterisert ved at tennstangen (18) er innrettet til å tvinges av trykket (42) inne i det hule huset (16) til å kontakte den eksplosive ladning (12) etter at den første holder har frigjort tennstangen (18).