關於油井穿孔器的改進的製作方法
2023-10-23 00:28:52 3
專利名稱：關於油井穿孔器的改進的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於穿孔器的起反應的定型藥包襯套，該穿孔器用於成井的穿孔和破裂。
背景技術：
在一加套筒的井中完成成井作業的最重要的過程是在生產區(也稱為巖層)和井孔之間形成一流動路徑。通常，提供這樣一條流動路徑是利用一個穿孔器來完成的，最先在該套筒中產生一孔，然後經過一個粘結層而實際穿入該巖層，該過程通常稱為穿孔。雖然機械穿孔裝置是已知的，但幾乎佔壓倒優勢的是，此類穿孔是利用高能物質來形成的，因為它容易使用和速度快。高能物質也能給出額外的優點，即它們可以對井產生激發作用，在於通入該巖層的衝擊波能增強穿孔的有效性並產生來自該巖層的增大的流量。通常，這樣一種穿孔器將採取定型藥包的形式。下面，除非以別的方式限定，否則提及任何穿孔器都應當指一種異形的裝藥穿孔器。
一種異形的裝藥器是一種高能裝置，由一個其中安置一通常為金屬的襯套的套筒構成。該襯套形成一個空腔的內表面，其餘表面由該套筒形成。該空腔充滿炸藥，當引爆時，炸藥使襯套材料崩塌而以材料的高速射流形式從套筒排出。該射流衝擊該井的套筒而產生一孔，然後該射流繼續穿入該巖層本身，直到射流的動能被該巖層中的物質克服。該襯套可以是半球形的，但在大多數穿孔器中大體上為圓錐形。該襯套和高能物質通常封閉在一金屬套筒中，傳統上該套筒為鋼，雖然可以優選其它合金。在使用中，如已提到的，該襯套被排出而形成一極高速的射流，該射流具有巨大的穿透力。
通常，在靠近該巖層的套筒的特定區域中需要許多穿孔。為此，用鋼纜、撓性管或該技術的專業人員已知的任何其它技術將一所謂的槍配置到該套筒內。該槍實際上是多個可以為相同或不同輸出功率的穿孔器的承載器。穿孔器的具體類型、其數目和槍的尺寸通常決定於成井作業工程師對要完成成井作業的特性的分析和/或評估。通常，完成成井作業的工程師的目標是在該套筒中獲得一個尺寸合適的孔以及儘可能深地穿透到周圍巖層中。可以理解，該巖層的性質既可能因每次作業而不同，也可能在一次特定的作業範圍內變化。在許多情況下，高度需要該穿孔地層的斷裂。
通常，穿孔器的裝藥、穿孔器數目和在搶內的配置以及槍的類型的實際選擇是由完成成井作業的工程師決定的。在大多數情況下，這種決定是以對完成成井作業地區的特定巖層的知識和經驗所產生的半經驗手段為基礎的。但是，為了幫助工程師選擇，已發展了用於確定單個穿孔器性能特徵的一系列試驗和程序。這些試驗和程序是通過美國石油協會(API)由企業發展的。在這方面，目前可用於從WWW.api.org下載的API標準RP19B(原先為RP43第五版)被穿孔器界廣泛用作穿孔器性能的指示。穿孔器製造商通常使用該API標準來營銷其產品。因此，完成成井作業的工程師能夠在不同製造商的產品中選擇一種其性能是特定巖層所需要的穿孔器，在進行選擇中，該工程師可以堅信他從該選定的穿孔器所期望的性能的類型。
然而，儘管存在這些試驗和程序，但仍有這樣一種認識，即完成成井作業的工程師心中更多的是技術而非科學。本發明的發明人認識到，目前對完成成井作業的手段的保守天性不可能在完成成井作業所需的工程途徑中發生變化而從直接向前和綜合的完成成井作業兩方面擴大和提高生產。
有許多廣為人知的定型藥包的設計，但是，很多設計僅僅是對炸藥的壓縮密度或襯套的錐角的增量變化。研究工作的最大領域主要集中在通過選擇金屬襯套、襯套形狀、套筒、高性能炸藥的類型及其點燃方法而改進穿透程度。從一種定型藥包來的射流的動能是由迫使襯套崩塌的炸藥的爆炸壓力唯一地提供的。這轉而導致襯套材料被高速排出。一旦射流處於運動中，就不再有從系統來的可用能量。
在過去已經研究了貧化鈾(du)定型藥包，但其使用即使在軍事角度也被認為對環境地面產生爭議的問題。貧化鈾基本上是僅帶約0.3％的鈾235的鈾238。當與所有其它襯套材料相比時，貧化鈾射流除了卓越的穿透力之外還有一個優點，就是該射流可以被看作是自燃的。通過給予額外的能量和對目標造成額外的損傷，這可以提供一些額外的射流/目標和/或目標/穿甲的優點。該額外的能量在石油天然氣工業中對於使地層斷裂是極其有用的。但是，在諸如油氣田穿孔之類的商業用途中使用輕度放射性的物質被認為是不合適的。
因此希望生產一種定型藥包襯套，其射流能在爆炸後產生額外的能量而不需要使用放射性的成分。
發明概要因此，按照本發明的第一方面，提供一種產生反應的定型藥包襯套，其中，製造襯套的組分能夠在激活該異形的裝藥襯套時發生放熱反應。
為了獲得該放熱輸出，該襯套組分最好包括至少兩種成分，它們當供給足夠的能量(即超過放熱反應的觸發能量的能量值)時將起反應而產生大量的能量，通常為熱量形式。該襯套的放熱反應可以利用至少兩種金屬的典型的化學計量(克分子)混合物來獲得，這兩種金屬在激活該異形的裝藥襯套時能夠產生一種金屬間產物和熱量。通常該反應只涉及兩種金屬，但是已知有涉及多於兩種金屬的金屬間反應。或者是，該襯套組分可以包括至少一種金屬和至少一種非金屬，該非金屬可以選自一種金屬氧化物如氧化銅、氧化鉬或氧化鎳或者任何第III族或第IV族的非金屬如矽、硼或碳。涉及燃料和氧化劑的反應混合物的燃燒的煙花配方是眾所周知的。但是，許多此類組分如槍炮火藥不能提供合適的襯套材料，因此它們沒有所需的密度或機械強度。
下面是當化合和遇到激發如熱量或電火花時產生放熱反應的元素的不完全的清單，可以選用於反應的襯套中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SFe和SMg和S或Se或Te之一Mn和S或SeNi和Al或S或Se或Si之一Nb和B
Mo和SPd和AlTa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有許多隻包含金屬元素的組分和包含金屬和非金屬元素的組分當混合和加熱超過反應的觸發能量時會如上所述地產生大量熱能而且還提供機械強度足夠的襯套材料。因此該組分可以包括一種選自Al、Ce、Li、Mg、Mo、Ni、Nb、Pb、Pd、Ta、Ti、Zn或Zr的金屬，它們已知與其它金屬或非金屬混合時能產生放熱反應，其化合易於為高能配方技術的專業人員所理解。優選的金屬-金屬組分是以化學計量的量混合的鎳和鋁或鈀和鋁。該技術的專業人員很容易理解，除了化學計量比以外的其它比例也可提供放熱反應，因而本發明不限於化學計量混合物。當以計算的相應比例來提供兩種金屬而給出1.5的電子濃度也即3個價電子對2個原子的比例如上述NiAl或PdAl時，這些襯套能給出特別有效的結果。
作為例子，本發明的重要特點是NiAl僅當該混合物經歷＞～14Gpa的衝擊波時才反應。這使該粉末形成帶有顯著輸出能量的中間金屬NiAl。
有許多中間金屬的合金反應是放熱的而在煙花用途中獲得應用。例如鋁和鈀之間的合金反應釋放327cals/g，而產生化合物NiAl的鋁/鎳體系釋放329cals/g(2290cas/cm3)。作為比較，在爆炸時TNT炸藥的總能量釋放為約2300cals/cm3，因此該反應產生與TNT的爆炸相似的能量密度，但當然不釋放氣體。生成熱在293°K時為約17000cal/mol，顯然是由於在兩種不相似的金屬之間生成新的共價鍵。在一次定型藥包中，該能量在射流中產生並可用來卸放到目標地層中，當與不起反應的射流比較時，能在目標中造成更大的損傷。
Pd/Al體系可以通過將絲狀或片狀的鈀和鋁在一起冷鍛而簡單地應用，但Al和Ni只能作為粉末混合物而反應。
但是，鈀是一種非常昂貴的鉑系金屬，因此鎳-鋁具有顯著的經濟價值的優點。對鎳/鋁粉末混合物的衝擊誘導的化學反應的經驗和理論研究表明，反應的閾值壓力為約14Gpa。該壓力在用於定型藥包用途的現代炸藥的衝擊波中是易於獲得的，因此Ni/Al可用作一種定型藥包襯套而給出起反應的高溫射流。該射流的溫度估計為2000°K。兩種組分金屬的粒徑對形成的定型藥包射流是獲得最佳性能的重要特點。微米和納米粒徑的鋁粉和鎳粉兩者均有商售，而其混合物將遇到一次快速的自持的放熱反應。一股熱的Ni/Al射流應當對一定範圍的目標物質高度反應，尤其應當能劇烈地侵蝕水合矽酸鹽。此外，當在穿透一個目標後而在空氣中分散時，該射流應當隨後在空氣中遇到放熱燃燒，因而產生爆炸增強或穿甲效應。
對於像PdAl的一些材料，從定型藥包襯套得到的所要反應可以通過利用分開的材料的冷軋板形成該組分從而形成該襯套來得到，該襯套然後可以用任何方法包括在車床上機加工而拋光。PdAl襯套也可以通過將該組分製成一生坯來製備。在AlNi的情況下，只有當襯套用新鮮壓緊的粉末混合物製成時才會產生反應。顯然，必須考慮在形成該襯套期間傳遞給反應物質的機械能或熱能，從而避免不需要的放熱反應。在壓制而形成一生坯襯套的情況下，可能需要一種粘合劑，後者可以是任何粉末狀的金屬或非金屬材料。該粘結劑最好包括一種聚合物材料，如硬脂酸鹽、石蠟或環氧樹脂。或者是該粘合劑選自一種高能粘合劑如硝化縮水甘油基聚合物(Glycidyl nitrate polymer或Polyglyn)、疊氮縮水甘油基聚合物(Glycidyl azide polymer或GAP)或3-硝化甲基-3-甲基環氧丙烷聚合物(3-nitratomethyl-3-methyloxetame polymer或Polynimmo)。該粘合劑也可選自硬脂酸鋰或硬脂酸鋅。方便的是，形成該組分一部分的至少一種金屬可以塗敷上述粘合劑物質之一。通常該粘合劑不管它用於預塗敷一金屬或直接混入包含一金屬的組分中，都可以處於1～5％(質量)的範圍內。
當使用一種微粒狀組分時，微粒的直徑(也稱為「粒徑」)在材料的固結中起重要作用，因而影響襯套的壓制密度。最好是，襯套的密度要儘可能高，以產生一個形成射流的更有效的孔。最好是，微粒的直徑約為1～10μm，但也可使用直徑為1μm或更小的微粒，甚至納米尺寸的微粒。此處提到的具有小於0.1μm的粒徑的材料稱為「納米晶體材料」。
有利的是，如果一種起反應的襯套的組分中的金屬如鎳和鋁或鈀和鋁的粒徑小於10μm甚至最好小於1μm，那麼由於表面積大大增加，襯套的反應性能以及因而其放熱反應速率將顯著提高。因此，一種由易於買到的材料(如早先公開的)製成的組分可以提供這樣一種襯套，該襯套不僅具有如炸藥提供的切削射流的動能，而且具有從該組分的放熱化學反應產生的額外的熱能，從而提供貧化鈾的更高能更安全的替代物。
在微粒粒徑小於0.1μm時，這些組分作為定型藥包襯套材料就越加有吸引力，原因是由於反應組分的極大相對表面積而其放熱輸出值甚至還增大。
襯套的厚度可以選自任何已知的或普通使用的襯套壁厚度。該襯套壁厚度通常表達為與襯套的底部直徑有關，並優選地選自襯套直徑的1～10％，更優選地為襯套直徑的1～5％。在一種裝置中，襯套的壁可以有錐形厚度，比如襯套頂點的厚度比襯套底部的厚度小，或者襯套頂點的厚度顯著地大於向著其底部的襯套壁厚。另一種情況是，襯套的厚度沿其表面積並不均勻，比如產生一種不均勻的漸小的厚度或多個凸出部和基本上空的區域，從而產生厚度可變的區域，該區域可以完全或部分穿過襯套的表面積，允許選擇射流的速度和切削效率來滿足手頭完成成井作業的條件。
該襯套的形狀可以選自任何已知的或通常使用的定型藥包襯套的形狀，如基本上為錐形或半球形。
在另一種配置中，可以希望，該襯套還包括至少一種另外的金屬，當定型藥包激活時，該至少一種另外的金屬不參加放熱反應。因此該額外的金屬被認為是惰性的而可以選自任何通常使用的或已知的定型藥包襯套的金屬。增加另一種金屬的目的是提供襯套的額外的機械強度並因而提高射流的穿透能力。鎢和銅作為定型藥包襯套的性能是眾所周知的，它們由於其高密度和延展性而通常用作襯套材料，這些性能傳統上使它們成為為此目的的所要材料。因此，還可以希望在本發明的起反應的襯套中包括一部分銅或鎢或其合金，以便增大襯套的強度並因而提供更強有力的射流。該情性金屬或者可以混合而均勻地分散在起反應的組分內，或者生產的襯套可以有兩層，一層惰性金屬被一層起反應的襯套組分所覆蓋，然後可以用上述壓制技術之一壓制。
也可以通過一個等離子體電弧反應器來生產組成納米晶體微粒的超細粉末，如PCT/GB01/00 553和WO 93/02787中所述。
在另一方面，本發明包括一種適用於井底用途的定型藥包品，後者包括一個套筒、一定量的高性能炸藥和一個置於套筒內的如上所述的襯套，該炸藥置於襯套和套筒之間。
在使用中該起反應的襯套傳遞從放熱反應產生的額外的熱能，這種額外的熱能可促使完成成井作業產生困擾和中斷。又一優點是，起反應的襯套的材料可以被消耗，使得在剛形成的孔中不留下襯底材料的殘屑，某些襯套可能是這種情況。
最好該套筒用鋼製成，雖然該套筒可以部分地或全部通過上述壓制技術之一用起反應的襯套組分之一製成，使得在爆炸時該套筒可以被反應消耗掉而減少生成碎片之類事情。
該高性能炸藥可以選自一系列高性能炸藥產品，如RDX、TNT、RDX、TNT、HMX、HMX/RDX、TATB、HNS。很容易理解，在本發明中可以使用任何被分類為高性能炸藥的合適的高能物質。但是某些類型的炸藥由於在井孔中經受的升高溫度而優先用於油井穿孔器。
襯套在最寬處(即敞開的端部)的直徑或者可以基本上是套筒的相同直徑，使得它被認為是一種全口徑襯套，或者該襯套可以選擇為亞口徑，使得該襯套的直徑為全直徑的80～95％。在一帶有全口徑襯套的典型的錐形裝料器中，裝載在襯套底部和該套筒之間的炸藥是非常少的，使得在使用中該錐體的底部將只經受最小量的裝載。因此在一亞口徑襯套中，在襯套的底部和套筒之間可以放置更大量的高性能炸藥，從而保證更大比例的襯套底部轉化為切削射流。
穿透到所完成的作業中的深度是所完成成井作業的工程的關鍵因素，因此通常希望起爆的這些穿孔器垂直於該套筒，以獲得最大穿透，同時如先有技術中強調的，這些穿孔器也互相垂直，以獲得每次爆破的最大深度。另外，在申請人的共同申請中，希望安置和對準至少兩個穿孔器，使得切削射流將在同一點處或其附近覆蓋、橫切或撞擊。
上述穿孔器可以直接插入任何地下井中，但是通常希望將穿孔器包括在一桿槍中，以便允許將多個穿孔器配置在作業中。
按照本發明的另一方面，本發明提供一種改善從一口井外流流體的方法，包括使用至少一個按照本發明的襯套、穿孔器或穿孔槍來對該井穿孔的步驟。由於改進了所產生的穿孔，流體外流得到改善，
附圖簡述為了有助於理解本發明，現在僅作為例子並參照附圖來描述其若干個實施例，附圖中
圖1是按照本發明的一個實施例沿一個包含一個部分頂點插入物的定型藥包裝置的縱軸線的截面圖。
詳細描述如圖1中所示，一種大體上傳統構型的通常軸對稱地圍繞中心線1的定型藥包的截面圖包括一個基本上圓筒形的套筒2，後者用金屬、聚合物、GRP或按照本發明的進行反應的材料製成。按照本發明的襯套6的壁厚通常為襯套直徑的1～5％，但在極端情況下可以大到10％。襯套6緊密地裝入圓筒形套筒2的開口端8。高爆炸性物質3安置在套筒和襯套之間包圍的容積中。高爆炸性物質3在該裝置的封閉端部靠近襯套的頂點7處通常用安置在凹部4中的雷管或引爆索起爆。
襯套的合適原材料包括一種帶有0.75～5(重量)％的粉末狀粘合劑物質的1～10微米直徑的粉末狀鎳和鋁的化學計量混合物。該粘合劑物質包括如前所述的材料。通過任何上述工藝可以獲得納米晶體的粉末組分材料。
通過觀察下列事實可以推導出合適的中間金屬化合物的其它例子，就是上述NiAl化合物是一種化合物的一個例子，當指定慣常的價時，該化合物對應於三個價電子對兩個原子的比例，也就是，電子濃度為3/2＝1.5。NiAl和PdAl兩者是掉入該範疇內的顯示同一晶體結構的中間金屬化合物的特定例子，雖然也可使用具有同一特性的電子濃度的其它化合物。因此，該範疇內的其它候選化合物包括(例如)CuZn、Cu3Al和Cu5Sn，但不包括(例如)Ni2Al。Ni2Al。沒有三個價電子對兩個原子的比例而只是一種化合物混合物。金屬的特定選擇可以按照重量和特定化合物的勢能釋放來進行。
金屬的特定商業選擇也可以受費用的影響，在這方面可以注意到，與某些其它候選金屬相比，Ni和Al兩者均不貴且易於買到。在試驗中發現，使用NiAl能得出良好結果。其次，NiAl襯套的製造工藝也相當簡單。
一種製造襯套的方法是，在模具中壓制一定量的緊密混合的粉末來生產作為生坯的成品襯套。在按照本專利的其它情況下，可以在上述同一方式下使用不同的緊密混合的粉末，但生坯產品是一種近似淨形狀，可以進行某種形式的燒結或浸滲工藝。
該技術的專業人員顯然可以對具體描述的本發明進行修改，這些修改被認為包括在本發明的範圍內。例如，產生一種細粒襯套的其它方法將是合適的。
權利要求
1.一種包括兩種金屬的化學計量組分的反應式定型藥包襯套，在操作中，該襯套在相關的異形的裝藥的激活下能夠產生放熱反應，其中這兩種金屬以各自的計算比例來提供以給出1.5的電子濃度。
2.一種按照權利要求1的襯套，其特徵在於，這兩種金屬之一是鋁。
3.一種按照任何上述權利要求的襯套，其特徵在於，這兩種金屬之一選自鎳和鈀。
4.一種按照任何上述權利要求的襯套，其特徵在於，該組分是一種壓制的特定組分。
5.一種按照任何上述權利要求的襯套，其特徵在於，加入一種粘合劑以有助於固結。
6.一種按照任何上述權利要求的襯套，其特徵在於，這些金屬中的至少一種塗有粘合劑，以有助於固結。
7.一種按照權利要求5或6的襯套，其特徵在於，該粘合劑選自一種聚合物。
8.一種按照權利要求7的襯套，其特徵在於，該聚合物選自硬脂酸酯、石蠟或環氧樹脂。
9.一種按照權利要求7的襯套，其特徵在於，該聚合物是一種高能聚合物。
10.一種按照權利要求9的襯套，其特徵在於，該高能粘合劑選自硝化縮水甘油基聚合物Polyglyn、疊氮縮水甘油基聚合物GAP或3-硝化甲基-3-甲基環氧丙烷聚合物Polynimmo。
11.一種按照權利要求5或6的襯套，其特徵在於，該粘合劑選自硬脂酸鋰或硬脂酸鋅。
12.一種按照權利要求5～11中任何一項的襯套，其特徵在於，該粘合劑的質量含量為0.1～5％。
13.一種按照任何上述權利要求的襯套，其特徵在於，該組分為微粒狀，該微粒的直徑為10μm或更小。
14.一種按照權利要求13的襯套，其特徵在於，該微粒的直徑為1μm或更小。
15.一種按照權利要求14的襯套，其特徵在於，該微粒的直徑為0.1μm或更小。
16.一種按照任何上述權利要求的襯套，其特徵在於，該襯套的厚度為襯套直徑的1～10％。
17.一種按照權利要求16的襯套，其特徵在於，該襯套的厚度為襯套直徑的1～5％。
18.一種按照任何上述權利要求的襯套，其特徵在於，該襯套的厚度沿橫向於該襯套表面區的方向是不均勻的。
19.一種按照任何上述權利要求的襯套，其特徵在於，該組分還包括至少另一種金屬，其中該至少另一種金屬在激活該異形成的裝藥襯套時不能產生放熱反應。
20.一種按照權利要求19的襯套，其特徵在於，該至少另一種金屬選自銅、鎢或其合金。
21.一種包括按照任何上述權利要求的襯套的定型藥包穿孔器。
22.一種按照權利要求21的襯套，其特徵在於，包括一個套筒、被安置在該套筒內的一定量的高性能炸藥和一個被安置在該套筒內的按照任何上述權利要求的襯套，使得該高性能炸藥安置在該襯套和套筒之間。
23.一種包括按照權利要求21或22的一個或多個定型藥包穿孔器的穿孔槍。
24.一種利用一個或多個按照權利要求1～20中任何一項的定型藥包襯套完成油井或天然氣井作業的方法。
25.一種利用一個或多個按照權利要求21或22的定型藥包穿孔器的完成油井或天然氣井的作業的方法。
26.一種利用一個或多個按照權利要求22的穿孔槍完成油井或天然氣井作業的方法。
27.一種提高流體自井的流出量的方法，包括利用按照權利要求21或22的穿孔器對該穿孔的步驟。
全文摘要
一種能在起爆後產生放熱反應的油氣井的定型藥包穿孔器，包括一個套筒、一種高性能炸藥和一個起反應的襯套，其中炸藥安置在起反應的襯套和套筒之間。該起反應的襯套是用一種能在形成切割射流期間支持放熱反應的組分製造的。該組分可以選自適用於油氣井穿孔器的任何已知的配方。通常該組分包括至少一種金屬和至少一種非金屬，其中該非金屬選自一種金屬氧化物或來自第III族或第IV族的任何非金屬或至少兩種金屬例如形成一種金屬間反應。通常本發明中的至少一種金屬可以選自Al、Ce、Li、Mg、Mo、Ni、Nb、Pb、Pd、Ta、Ti、Zn或Zr。該襯套組分可以最好是一種壓制的微粒狀組分，使得該組分在壓力下固結而形成所要的襯套形狀。為了幫助固結，也可以加入一種粘合劑。
文檔編號E21B43/117GK1886574SQ200480035433
公開日2006年12月27日 申請日期2004年10月8日 優先權日2003年10月10日
發明者L·R·巴特斯, B·布爾恩 申請人:秦內蒂克有限公司