地下构造穿孔和激活用的设备和方法

本发明的领域

本发明涉及一种钻井套管及/或地下构造穿孔用的设备和方法，更具 体点说，涉及这样一种设备和方法，当采用推进剂时，可显著地同时提高 这种穿孔的效果并激活地下构造。

相关技术的说明

直径较大的单节金属管被固定在一起形成一个定位在地下井孔内的 套管柱以便增加井孔的整体性并为液体喷到地面提供通路。传统上，套管 被水泥凝结到井孔面上，随后用引爆特形爆炸装药的方法来穿孔。穿出的 孔通过套管和水泥延伸一段短的距离来到地层构造内。在某些情况下，进 行这种穿孔操作时需要井内的压力超过地层构造的压力。在超压条件下， 井内压力超过地层破裂所需压力，因此在穿孔附近就可采用液压破裂。作 为一个例子，穿孔可在地层内穿透数英寸，裂缝网络则可在地层内延伸数 英尺。这样便可在地层和钻井之间造成可供流体流动的扩大流道，由于故 意在穿孔内引入的裂缝，钻井的生产率可显著地提高。

当穿孔过程完毕时便可将井内压力降低到所需的操作压力以便流体 的产出或喷出，但当压力降低时，新造成的裂缝又会在过载的压力下闭 合。为了确保裂缝和穿孔保持为流体从地层流到钻井或从钻井流到地层的 敞开流道，传统上常将微粒材料或支撑剂喷入到穿孔内以便使裂缝撑开。 而且，微粒材料或支撑剂会冲刷穿孔及/或裂缝的表面，从而扩大造成的 流道使流体的流动增强。支撑剂可在形成穿孔时同时放入，或者可在晚一 些时候用任何一种方法放入。例如在穿孔之前，井孔的下部可充以砂浆。 这样在进行传统的超压穿孔操作时，砂粒就被井孔内的高压液体驱赶到穿 孔和裂缝内。

由于在井孔内达到超压条件所必需的高压泵比较昂贵，操作起来费 时，所以气体推进剂曾被结合穿孔技术使用，作为液压破裂的一种较少费 钱的替代方法。特形的爆炸装药被引爆，形成通过套管而延伸到地下构造 内的穿孔，同时推进剂被点燃使穿孔的地下区间增压并在其内传播裂缝。 授予Hill等的美国专利4,633,951、4,683,943和4,823,875号曾说明一种 裂解地下产油和产气地层的方法，其中有一个或多个发生气体并穿孔的装 置利用一段缆管被定位在井孔内选定的深度上，该缆管也可用自耗的电信 号传送电缆或导火索式引信代替。发生气体并穿孔的装置具有多个发生器 段。中心段包括多个在轴向上间隔开并指向径向的穿孔的特形装药，它们 被一速燃引信互连着。每一气体发生器段都包括一个圆筒形薄壁的外金属 罐件。每一气体发生器段都设有一个基本上为固态的能发生气体的推进 剂，如果需要，该推进剂可包括一个设在金属罐件附近的速燃环和一个在 环的范围内的较慢燃烧的芯部。还设有一个细长孔，通过该孔，导向中心 段或穿孔装药段的缆管、导电线或引信可引入。导火索引信或类似的点燃 器被设置在金属罐件的圆周附近。每一个气体发生器段都同时被点燃、发 生燃烧气体并在钻井套管上穿孔。实际上在气体开始发生的同时，套管就 被穿孔形成孔眼。在气体发生单元点燃后约110毫秒穿孔特形装药就被引 爆，而从大约110毫秒到200毫秒的时间段内气体发生单元发生的气体总 量中的主要部分就已流动通过穿孔。

授予Ford等的美国专利4,391,337号曾公开一种用来提高油井或气 井产量的整体的喷射穿孔和受控推进剂的裂解装置和方法。其中的金属罐 含有多个特形装药手榴弹，在其周围包装着气体推进剂这样来形成一个固 态燃料小包装。

授予Petijean的美国专利5,355,802号曾说明一种方法和设备，可用 来在环绕井孔的地层内穿孔并可在地层内造成并传播裂缝，以资激活井孔 的碳氢化合物产量。其中所用工具包括至少一个通过导火索连接到引爆器 上的定向特形装药。还有至少一个推进剂发生弹筒被定位在工具内并经由 电线和绳通过延迟箱被连接到缆管缆绳上。

授予Ibsen的美国专利4,253,523号曾公开一种方法和设备，可用来 进行钻井的在地层内穿孔和裂解的操作。其中所用的穿孔枪组合件具有多 个特形装药，它们被定位在一狭长的圆筒形载体内而互相间隔开。在载体 内特形装药之间的空间内填充着二次炸药如活性硝酸铵。

授予Mohaupt的美国专利5,005,641号曾公开一种气体发生工具，可 用来发生大量高压气体，从而激活地下构造。该工具具有一个支架或框 架，其上设有沿着管状件的纵向、间隔开排列的一系列错开的孔。支架还 接纳着推进剂的装料，在该装料内有一通道，点燃管就插入到该通道内。

但在这些利用推进剂与穿孔装置结合的现有技术的装置中没有一种 能被证实已经得到完全令人满意的结果。因此需要有一种可用来在地下构 造内穿孔和激活的设备和方法，以资使在井孔和所穿透的地下构造之间的 连通得到改进。

这样，本发明的一个目的就是要提供一种可用来在地下构造内穿孔和 激活的设备和方法，以资使在井孔和所穿透的地下构造之间的连通得到改 进。

本发明还有一个目的是要提供一种可用来在地下构造内穿孔和激活 的设备，该设备的设计比较简单并能立即使用于各种穿孔枪的设计上。

本发明另一个目的是要提供一种可用来在地下构造内穿孔和激活的 设备，该设备在点火后即基本上被毁掉，从而可不需从井内回收该设备。

本发明再一个目的是要提供一种可在地下构造内穿孔和激活的设 备，该设备能使其推进剂构件反复燃烧。

本发明还有另一个目的是要提供一种可在地下构造内穿孔和激活的 设备，该设备所使用的穿孔装药的能量比以前使用的少。

                     本发明的综述

为了达到上述这些和其他一些目的，本发明的一个特征是，所提供的 可在地下构造内穿孔的设备具有一个或多个爆炸装药、一个推进剂的壳 体、和一个在发射上与装药连接的引爆器。所说一个或多个爆炸装药被定 位在推进剂的壳体内。

本发明的另一个特征是，所提供的可在地下构造内穿孔的设备具有一 个载体，至少有一个特形装药被定位在该载体内，并有一个推进剂的壳体 基本上把至少一个特形装药包围着。

本发明还有另一个特征是，所提供的在被具有定位套管的井孔所穿透 的地下构造内穿孔借以建立起地层和井孔之间的流体连通的方法包括这 样的步骤，将在井孔内的穿孔装药引爆，从而点燃插置在穿孔装药和套管 之间的推进剂，并在套管上穿孔。

本发明再有一个特征是，所提供的在被具有定位套管的井孔所穿透的 地下构造内穿孔借以建立起地层和井孔之间的流体连通的方法包括这样 的步骤，将由推进剂材料制成的套筒基本上定位在至少一个爆炸装药的周 围，并将爆炸装药引爆，借以形成通过套管并进入到地层内的穿孔。爆炸 装药的引爆点燃推进剂材料，从而形成清扫穿孔的气体，使该穿孔在地层 和井孔之间延伸而使流体连通。

本发明尚有一个特征是，对在被具有定位套管的井孔所穿透的地下构 造内进行穿孔和激活借以建立起地层和井孔之间的流体连通的方法所作 的改进包括，在引爆穿孔装药时将含有穿孔装药的设备粉碎而毁掉。

本发明还有另外一个特征是，用来在地下构造内穿孔并激活的成套设 备包括一个在地下构造内穿孔的设备，该设备具有至少一个特形装药和一 个适宜被定位在设备周围的推进剂的套筒。

                     附图的简要说明

附图示出本发明的实施例，连同说明，用来阐明本发明的原理。在附 图中：

图1为本发明的设备当定位在一穿透地下构造的钻井内时的剖视 图；

图2为本发明的一个实施例的设备的剖视图；

图3为图2中沿3-3切开的剖视图，该图示出本发明的设备的某些 零件之间的空间关系；

图4为被连接到引爆线上的穿孔装药的部分剖视图；

图5为图2中所示本发明的设备的推进剂套筒的一个实施例的透视 图；

图6为适宜用于本发明的引爆系统的一部分的剖视图；

图7为图2中所示的本发明的设备的推进剂套筒的另一个实施例的透 视图；

图8为图7中沿8-8线切开的推进剂套筒的剖视图；

图9为图2中所示在本发明的设备中使用的推进剂套筒的另一个实施 例的剖视图；

图10为图9中所画推进剂套筒的切开视图以便示出套筒的内壁；及

图11为本发明的设备的另一实施例的剖视图。

                     较优实施例的说明

如图1所示，有一具有用水泥13固定的管套12的钻井10从地面14 延伸到至少进入一个地下构造16内。本发明的一个或多个穿孔和推进剂 设备20被固定在套管柱18的下端并被下降到钻井10内。位在井10内的 最上面的设备可直接固定在套管柱18的端头上。有一串联的特形接头60 可被用来将设备20固定在一起，而底塞66则可被固定在最下面设备20 的终端。如果需要，可用任何一种合适的装置如密封垫21将一部分钻井 10与相邻的区间16隔开。有一配管柱可被用来将本发明的设备定位并支 承在井孔内。最好用配管将几个设备20输送到同一井孔内。或者，缆管、 滑管、螺管或任何其他行家所熟悉的合适装置都可被用来将一个或多个设 备定位并支承在井孔内。

现在参阅图2，本发明的穿孔和推进剂设备一般地用标号20指出， 其一端固定在一串联的特形接头60上，而其另一端则固定在一底塞66 上。有一穿孔装药载体22被定位在串联特形接头60和底塞66之间并被 任何合适的装置固定，如设在载体22的内表面上靠近其两端的螺纹23 和24可分别与特形接头60和底塞66上的相应螺纹61和67啮合。O形 环70可在载体22和串联特形接头60之间提供对流体的密封，而O形环 74可在载体22和底塞66之间提供对流体的密封。载体22可用商业上供 售的穿孔装药用的载体并含有至少一个能在载体壁30、钻井套管12、和 一部分邻近地下构造16上制出孔眼的传统穿孔装药40。有一穿孔装药管 34被定位在载体22内并在其上具有至少一个较大的孔眼或开口35和多 个较小的孔眼或开口36。在装料管34壁上的开口35可在垂直方向上并 在环绕管轴的角度上互相间隔开。装料载体22和穿孔装料管34具有一般 为瘦长管的外形。一个带衬里的穿孔装药40的小端46被固定在穿孔装药 管34上的孔眼或开口36内，这在下面将予说明，而大端48则对准并通 过管34上的开口或孔眼35突出。至少有一个带衬里的穿孔装药40装在 穿孔装药管34内。有一引爆索86被连接到串联特形接头60上方的引爆 器上，连接到每一穿孔装药40的小端46上，并连接到底塞66内的端帽 68上。在载体22的上方还可装有一个或多个另外的穿孔装药载体助爆剂 过渡件和串联特形接头的组合。管子对准端板50的作用是对准载体22 内的装药管34使每一装药的前面与载体22壁上的一个凹坑27接近。

如果有多个装药，它们可在垂直方向上和环绕载体轴线的角度上互相 间隔开。装药密度应合适，可由本行业行家所知的方法来确定。通常的装 药密度为每英尺2到24个。引爆索86连接到载体22上方串联特形接头 60内的助爆剂过渡件(未示出)上，所有装药40上，和底塞66内的端帽 66上。

如图3所示，带衬里的穿孔装药40的小端46上的支架80通过装药 管34上的开口伸出。有一夹子82将装药40夹紧在装药管34上。引爆索 86通过支架80和夹子82之间的空间84被引入。装药管34被装在载体 22上使装药40的大端46与载体22上的凹坑27接近。

参阅图4，图中一般地示出一个典型的穿孔装药40。有一高度压缩 的炸药41部分填充在穿孔装药壳体42内。有一衬里43覆盖着炸药的暴 露面。衬里43通常由金属制成，并用来集中装药的能量，使装药能在钻 井套管上穿孔。

按照本发明，一个一般具有管状外形的套筒90(图5)在制造本发明的 穿孔和推进剂设备20或最终的可能在钻井现场进行的装配时被定位在穿 孔装药载体22的周围。在装配时(图2)，套筒90的一端用串联特形接头 60，另一端用底塞66固定并定位在穿孔装药载体22的周围。串联特形 接头60和底塞66的外直径比套筒90大，借以防止套筒90在井孔中定位 时遭受损伤。或者在制造或最终装配本发明的设备时可将外直径比套筒 90大的保护环插入到串联特形接头60、底塞66和套筒90之间以免套筒 90受到损伤。套筒90可在串联特形接头60和底塞66之间的整个距离或 其一部分上延伸。套筒90由拒水的或防水的推进剂材料构造，该材料在 实际上并不受地下构造在穿孔时通常能看到的静液压的影响，并且对几乎 所有流体，特别是在地下井孔内常会遇到的那些流体，都不起反应即为隋 性的。最好推进剂为固化的环氧树脂或在其内引入氧化剂的塑料，如美国 Idaho州Coeurd＇Alene公司的HTH技术服务部在商业上供售的这类材 料。

本行业的行家将会知道，任何一种合适的引爆系统都可用来与本发明 的穿孔和推进剂设备20结合。这样一种合适的引爆系统的例子在图6中 示出。气孔壳体210能够连结到配管柱211或缆管(未示出)的端头上。有 一气孔件212被连结到气孔件壳体210内的连杆214上，并将流体通道 216密封。连杆214与活塞218接触。在活塞218和壳体210的内壁之间 充有大气压力下的空气。在活塞218的底部附近在剪切座224上装有多个 剪切销222，还有一个点火销226从活塞218的底部向下延伸。保持器 228连结气孔件壳体210和串联特形接头60。冲击引爆器230被装在点 火头236内的保持器228内，该点火头236被连结到气孔壳体210上并能 连结到串联特形接头60上。特形接头60被连结到穿孔装药载体22上。 如前所述，在特形接头60顶部的点燃过渡件232与延伸通过中心管道234 和装药载体22的引爆索86接触。助燃剂过渡件位在每一个串联特形接头 60内，它将在串联特形接头上面和下面的在装药载体内的引爆索连接起 来。

在将足够的液压施加在活塞218上时，气孔件212和活塞218同时向 下移动，开启流体通道214并使点火销226与撞击引爆器230接触。冲击 引爆器230的点燃在点燃过渡件232内引起第二次引爆，该点燃过渡件 232本身又点燃引爆索86。引爆索86具有一个炸药并在每一个装药载体 的端头之间延伸，并在装药和将装药保持在载体内的装药夹子的背部之间 通过。引爆索86点燃在装药载体22内的特形装药和含有比引爆索86更 高级炸药的助爆剂过渡件。

如上所述和如图6所示，有一冲击引爆器提供第一次引爆。如果穿孔 设备是在缆管内输入，那么第一次引爆器也可能用电引爆器来替代。第一 次引爆器点燃在点燃过渡件232内对压力敏感的化学品，点燃过渡件232 又点燃引爆索86，引爆索86然后同时点燃在载体22内的一个或多个装 药40。每一助燃剂过渡件还含有炸药，可用来引爆在邻近载体中的引爆 索86。本系统可从顶部、底部或两者引爆。

操作时，在所需数目的穿孔装药22上装载装药40并用引爆装置如引 爆索86连接起来。在钻井现场，随着各单元的被下降到钻井10内的配管 柱、缆管、滑管或任何其他合适装置的端头，将被串联特形接头隔开的一 连串设备20装配起来。推进剂套筒90可从一段推进剂管材上分割下来， 并在钻井现场将它们定位在穿孔装药载体22的周围。这样设备20就被定 位在钻井内，使其穿孔装药40与要被穿孔的地层区间16接近。然后便可 引爆穿孔装药40。在引爆时，每一穿孔装药40通过载体22上的一个凹 坑27爆破，穿透推进剂套筒90，在套管12上造成开口，并深入在其内 形成穿孔的地层16。由于引爆的特形装药40的震动、热和压力，推进剂 套筒90散裂开来并点燃。当一个或多个穿孔装药深入到地层内时，由推 进剂套筒90的燃烧而发生的高压气体便通过最近形成的穿孔进入到地层 16内，从而清扫钻孔内的拉圾。这些推进剂的气体还激活地层，通过推 进剂气体的压力裂解地层，从而使地层16和钻井10的连接延伸。

随着本发明的穿孔和推进剂装置20的点燃，几乎同时可将砂子那样 的支撑剂引入到钻井10内，引入可用任何一种合适的手段进行，如在传 统的穿孔装药载体上可装入充有砂子并被串联到引爆索86上的冲孔装 药，这种装药在商业上有供售，例如Halliburton的Energy Service or Advance Completion Technologies公司曾以POWR★PERF的商标 供售。当燃烧推进剂套筒90发生的这种气体从钻井内排出并进入在地层 16内形成的穿孔时，被推进剂气体挟带到裂缝内的砂子磨掉或冲刷穿孔 和裂缝的壁，从而扩大在地层和钻井10之间的流体流动流道。某些砂子 可停留在裂缝内作为支撑剂，从而当流体压力解除时可防止裂缝闭合。

为了帮助点燃，套筒90可设有一条或多条槽或裂缝92，它们可延伸 通过套筒90的整个厚度(图7)并可基本上延伸到整个长度。裂缝被定位在 特形装药40的附近使当特形装药的点燃冲击裂缝92时，裂缝使套筒具有 较大的表面面积以便套筒90点燃和燃烧。最好裂缝92带有斜度(图8)， 使裂缝在套筒90内表面上的宽度比外表面上的大。为了达到均匀和可反 复进行的燃烧，套筒90的内表面上可设有槽或沟(图9到10)以便在受到 特形装药40的冲击时帮助推进剂套筒90均匀地裂开。槽或沟94可具有 变化的或均匀的厚度或深度并可制成均匀的或杂乱的图案。

现在参阅图11，其中一般地用标号120示出本发明的穿孔和推进剂 设备的另一实施例。该设备具有一个穿孔装药载体122，位在两个串联特 形接头160之间或在一个串联特形接头160和一个底塞166之间。在本实 施例中，载体122由拒水的或防水的推进剂材料构成，它在实际上不受地 下构造穿孔时通常可看到的静液压的影响，并且对几乎所有流体，特别是 那些在地下井孔内常会遇到的流体，都不起反应即为隋性的。最好推进剂 为固化的环氧树脂或在其内引入氧化剂的碳纤维复合体，例如美国Idaho 州Coeur d＇Alene公司的HTH技术服务部在商业上供售的那种。载体 122含有至少一个传统的穿孔装药140，能在载体壁130、钻井套管12、 和邻近的地下构造区间16的一部分内造成孔眼。每一穿孔装药140都用 夹子固定在穿孔装药管134上的开口136内。最好，构成串联特形接头 160、底塞166和装料管134的材料在装药140引爆时基本上能完全裂开 或分解，例如薄壁钢，或者能基本上粉碎，例如碳纤维、环氧树脂的复合 体，或者能完全燃烧，例如与套筒90所使用的类似的环氧树脂、带氧化 剂的推进剂。如果使用多个特形装药，那么它们可在垂直方向上和环绕载 体轴线的角度上互相间隔开。装药的密度应合适，可用本行业行家已知的 方法确定。通常的装药密度为每英尺6到12个。引爆索186连接着一个 在载体122上方的串联特形接头160内的助爆剂过渡件、所有的装药40 和底塞166内的端帽168。如同以前结合图2中的实施例所述的那样，在 载体122的下方可装有一个或多个另外的串联特形接头和另外的穿孔装 药载体的组合。这样引爆索186就要连接到在下面的每一个另外的穿孔装 药载体上的串联特形接头160内的助爆剂过渡件上。在本实施例中在钻井 中卸除穿孔枪的任一部可被省免，因为在装药140引爆时载体被点燃，装 药管被分解及/或粉碎。这个优点在只有极小的空间时特别明显。小空间 例如在已穿孔的地层16的区间下面可能会存在。

下面的例子使用本发明的实施情况，但不能以此来限制本发明的范 围。

                         实例

一个36英寸长、4英寸外直径、3.4375英寸内直径的套筒由引入氧 化剂的固化的环氧树脂制成，被定位在一个3英尺长、3.375英寸外直径 的穿孔枪的周围。这个穿孔枪每英尺具有4个特形装药，装药的相位角为 60度，还有一个带凹坑的载体。装有推进剂套筒的穿孔枪深入到地下钻 井内，并被缆管定位以便在约3630英尺处接3英尺的间隔穿孔。还接有 一个快速的压力计。在测定深度后，将50桶水泵入井内，点燃设备。注 意到缆管没有跳起。在解除压力后，推进剂套筒从穿孔枪上消失。分析快 速压力计的数据指出有一高压脉冲曾维持5毫秒，而传统的穿孔枪所达到 的约为7毫秒。

本发明的穿孔和推进剂设备可与配管或缆管一起使用。配管的强度比 缆管高，因此可用一个较长的穿孔和推进剂设备，从而在进入钻井内的一 次行程中可在较长的地层区间内穿孔并激活。用配管输送的设备还可允许 使用密封垫以便使钻井的一部分或多部分与邻近的地层间隔的一部分或 多部分隔断。这样，当为了某些其他的原因，例如井内的一个或多个区段 已经完成，需要限制钻井的另一部分所受到的压力时，本方法也可应用。 另外如果钻井具有一个离开垂直或水平方向的高偏离角，配管可被用来将 穿孔和推进剂设备推到钻井内。

将本发明的两个或多个穿孔和推进剂设备20及/或120用一单个配管 柱以间隔开的方式组合起来便可在一次操作中对地下构造的多层区间进 行穿孔和裂解，这对行家来说是显而易见的。在使用本发明的穿孔和推进 剂设备时，含有比传统装药数量小的高度压缩的炸药的特形装药可被使 用，因为特形装药只需在套管12上穿孔，燃烧推进剂所发生的气体会沿 着穿孔和裂缝进入到地下构造内。因此，与传统的穿孔设备相比，在本发 明的设备内可采用数目较多的特形装药，及/或与传统的特形装药所生产 的穿孔相比，本发明的设备所采用的特形装药可生产出直径较大的穿孔。 另外，推进剂套筒90或载体122可具有到处散布或埋入其外表面内的支 撑剂。这个支撑剂还可含有放射性的标记，可以帮助确定支撑剂进入穿孔 内在地下构造内散布的情况。

虽然上面说明的和图示的本发明的设备的各个实施例都是用好几个 构件按对流体密封的关系固定在一起，但将设备20或120构成一个由推 进剂材料制成的整件，该整件对从井孔内流出的流体敞开，并在其内固定 着特形装药。这也属于本发明的范围。

虽然上面说明并图示了本发明的较优实施例，但应知道，各种替代和 修改如同上面提出过的和其他一些都可由此作出，因此应在本发明的范围 内。

                    本发明的背景