專利名稱：用于高井眼壓力應用的射孔方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于對具有高井眼流體壓力的井進行射孔的裝置和方法。
背景技術：
碳氫化合物(比如石油和天然氣)產(chǎn)自穿過地層中的一個或多個 碳氫化合物儲層的套管井眼。這些碳氫化合物通過套管井眼中的射孔 流入井眼。射孔通常使用裝有聚能射孔彈的射孔槍形成。射孔槍在電 線、鋼絲、生產(chǎn)油管、連續(xù)油管或其他運送裝置上被下入井眼，直到 其鄰近碳氫化合物生產(chǎn)地層。其后，地面信號致動與射孔槍相連的發(fā) 火頭，于是發(fā)火頭引爆聚能射孔彈。由聚能射孔彈的爆炸所形成的射 彈或射流穿透套管從而允許地層流體流經(jīng)射孔并且流入生產(chǎn)管柱。
在一些最近的石油勘探和開采活動中，井主遇到在鉆好的井眼中
的較高流體壓力的情況，例如流體壓力接近和超過25，000PSI。應當理 解，這樣的壓力對于傳統(tǒng)的射孔槍結構是個問題，圖l中顯示了傳統(tǒng) 的射孔槍結構中的一種。圖1中顯示了傳統(tǒng)的射孔槍IO，其包括設置 在承栽管14中的彈帶或彈管12。聚能射孔彈18固定在彈管12內(nèi)。 導爆索16延伸穿過適當?shù)目椎竭_聚能射孔彈18。連接接頭(比如頂 部接頭22、中間接頭24和底部接頭26 )用于使構成槍10的各個部件 相互連接、將兩個或多個槍10連接在一起、密封槍10的內(nèi)部28和/ 或提供與運送裝置連接的連接點30，所述運送裝置用于將槍10或槍 串下入井眼中。
傳統(tǒng)地，槍10是密封的工具，這意味著槍10的內(nèi)部28處于大約 大氣壓力下，或至少處于顯著低于圍繞槍10的井眼流體壓力的壓力 下。通常，承載管14由鋼或鋼合金形成，所述鋼和鋼合金在低于25,000PSI的壓力下表現(xiàn)出適當?shù)目箟簭姸?。即，傳統(tǒng)的鋼承載管14在低于 25,000 PSI的壓力下抵抗破碎變形或毀壞性的變形。但是，對于接近 25,000 PSI的壓力，承載管14通常結合進口的和昂貴的鋼合金和/或 使用相當厚的壁。在一些情況下，抗破碎所需的壁厚是不切實際的， 這是因為其將過度地限制聚能射孔彈18的空間。在其他情況下，可能 受射孔槍成本的限制。
現(xiàn)有技術的槍結構利用了非鋼制部件。例如，美國專利No. 6，865，792涉及一種用于制造射孔槍的方法，所述方法部分地涉及形成 具有多層的承載管。但是，這些方法似乎主要針對以低成本制造承載 管。美國專利No. 5,829,538教導了一種具有彈托架和炸藥的射孔槍， 所述炸藥由在炸藥爆炸時碎裂的材料形成。美國專利No. 6,422,148教 導了 一種射孔槍組件，其包括至少一個由復合材料構造的并且不可滲 透井眼流體的部件。所述復合部件設計成在射孔槍爆炸時碎裂為小片。 因而，使用非金屬部件的傳統(tǒng)槍布置沒有解決在較高壓井眼情況下存 在的問題。
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術的這些和其他缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供了一種在井眼射孔槍中使用的承載管。所述 承載管包括選自具有相對不同物理性能的材料的內(nèi)層和外層。所述內(nèi) 層具有較高的抗壓強度，所述外層具有較高的抗拉強度。每一層的材 料選擇可包括后文總稱為"鋼"的各種鋼和鋼合金、非鋼合金、基本 金屬、陶瓷、纖維復合物等。內(nèi)層使管能夠抵抗井眼壓縮壓力，其可 根據(jù)所選的材料而包括較高的壓力。同時，外層捕獲并且容放槍爆炸 時所產(chǎn)生的任何內(nèi)層碎片。承載管及與其相連的射孔槍因而適用于多 種井眼情況并且減少了對在其使用之后的清潔工作的需要。
另一方面，本發(fā)明提供了一種用于井眼射孔槍的承載管，所述承 栽管包括管狀芯和圍繞所述管狀芯的保持部件。在該方面中，管狀芯 由在承載管內(nèi)施加爆炸力時破碎為碎片的材料形成。由承載管外部的
6井眼流體所施加的壓縮力基本上能透過所述保持部件。保持部件在從 承載管內(nèi)施加爆炸力的過程中或其后"容放"(即容納)管狀芯的碎片， 因而使得能夠在整體收回射孔槍的同時將至少大部分碎片移出井眼。
本發(fā)明的又一方面提供了 一種用于為井眼射孔的設備。該設備包
括彈管；附在所述彈管中的多個聚能射孔彈；在能量方面 (energetically )連接至每一個聚能射孔彈的導爆索；和具有用于接收 彈管的內(nèi)孔的承載管。承栽管包括徑向內(nèi)層；和徑向外層。徑向內(nèi)層 具有比徑向外層高的抗壓強度，徑向外層具有比徑向內(nèi)層高的抗拉強 度。
在多個方面中，本發(fā)明提供了一種用于使用井眼射孔槍在較高壓 力井眼環(huán)境中為井眼射孔的方法。在一個實施例中，所述方法包括在 管狀芯中設置井眼射孔槍的至少一個聚能射孔彈，和用保持部件圍繞 管狀芯。保持部件可被承載管外部的井眼流體壓力所施加的壓縮力基 本上穿透，并且在所述至少一個聚能射孔彈爆炸之后捕獲或容放管狀 芯的至少一部分碎片。 一種示例性的設置包括將井眼射孔槍運送到井 眼中，發(fā)射井眼射孔槍，和收回井眼射孔槍。
應該理解的是，為了可以更好地理解本發(fā)明下面的詳細說明，并 且為了可以領會對本技術領域所做出的貢獻，已經(jīng)相當廣泛地概括了 本發(fā)明的更重要特征的示例。當然，存在將在下文描述的本發(fā)明的其 他特征，它們將形成在此所附權利要求的主題。


為了詳細地理解本發(fā)明，應該結合附圖并參照優(yōu)選實施例的下列 詳細描迷，附圖中相同的部件給出相同的附圖標記，其中 圖l示意性示出了傳統(tǒng)的射孔槍串； 圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的承栽管的一個實施例； 圖3示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的承載管的另一個實施例； 圖4示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的承載管的又一個實施例。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及用于為具有較高井眼壓力的井眼射孔的裝置和方法。 本發(fā)明易于具有不同形式的實施例。對于在附圖中示出的和將在此詳 細描述的本發(fā)明的具體實施例的理解應該被認為是本發(fā)明原理的示 例，并不旨在將本發(fā)明限制在此所示出和描述的內(nèi)容。
現(xiàn)在參照圖2，顯示了根據(jù)本發(fā)明的射孔槍100的一個實施例。 按傳統(tǒng)方式，射孔槍100包括例如彈帶或彈管102的彈保持部件、聚 能射孔彈104和比如導爆索(未顯示)的其他已知部件。有利地，射 孔槍100包括非金屬承載管106，所述非金屬承載管由具有足夠抗壓 屈服強度和抗拉強度的一種或多種材料形成，以抵抗高井眼壓力和/ 或與爆炸相關的沖擊力。下面討論承載管106的示例性實施例。
在一個實施例中，承載管106包括多個分離的結構部件，它們協(xié) 作用于抵抗高井眼壓力并且在聚能射孔彈104爆炸過程中或爆炸之后 保持承載管106的結構內(nèi)聚性。在一種布置中，承載管106包括內(nèi)芯 或內(nèi)層108和外套筒或外層110，所述內(nèi)芯或內(nèi)層108由具有比外層 110高的抗壓強度的材料形成，所述外套筒或外層110具有比內(nèi)芯或 內(nèi)層108高的抗拉強度。例如，內(nèi)層108可由陶資形成，外層110可 由碳纖維復合材料形成。
在將槍100部署在井眼中的過程中，槍的內(nèi)部112基本上保持在 大氣壓力下，而承載管106的外表面114承受周圍的流體壓力(例如 流體靜力學壓力)。由此形成的壓差使壓縮力承載在外表面114上。但 是外層110將大部分壓縮力傳送到具有較高抗壓強度的內(nèi)層108。關 于這點，可認為壓縮力基本上能透過外層110。因而，由于內(nèi)層108 的較高抗壓強度，承載管106具有允許槍100抵抗高井眼壓力的結構 剛度。具有較高抗壓強度的材料(比如一些陶瓷)可易于在受到拉伸 負載時破裂。所述破裂可能與毛細裂紋一樣細小或使內(nèi)層破碎。因而， 在聚能射孔彈104爆炸過程中，內(nèi)層108可能爆裂或碎裂。有利地， 外層110具有足夠的抗拉強度從而在由爆炸所引起的爆破壓力下繼續(xù) 存在而仍允許爆炸的爆炸力到達地層。由于外層IIO在爆炸過程中沒有碎裂而只是射孔，留下其大部分基本上完整無損，因此，外層100 可用作封套或容放裝置，其捕獲(即容放或容納)槍100內(nèi)的破裂的 內(nèi)層108并且保持比如底部接頭120和串聯(lián)接頭122的相鄰部件之間 的物理連接。應當理解，然后，槍100及其基本上容放在外層100內(nèi) 的構成部件可在射孔活動之后從井眼收回。
仍參照圖2，模塊式接頭124將承載管106連接到槍100上。在 一個實施例中，模塊式接頭124形成為金屬套筒，所述金屬套筒具有 連接到承載管的第一端126和連接到連接接頭120或122或其他槍部 件的第二端128。在一種布置中，通過適當?shù)沫h(huán)氧樹脂、膠或樹脂將 內(nèi)層108化學粘合到第一端126上。在其他布置中，可利用例如螺紋 連接的機械接頭。另外，外層108與第一端126充分重疊以便與模塊 式接頭124也形成結合或連接。由于前述原因，外層108和模塊式接 頭124之間的連接應足夠強從而在爆炸后繼續(xù)存在。用于該連接的適 當裝置包括使用膠、環(huán)氧樹脂或樹脂的化學連接和/或比如壓縮帶的機 械連接。第二端128可以具有與所選的槍結構配合所需的構造。
應該意識到，除了抗壓和抗拉強度之外，對于部件108和110中 的每一個，可以改變或優(yōu)化其他材料特性。例如，如果內(nèi)層108比較 多孔，則外層110可包括或使用使外層110能夠?qū)τ诹黧w滲透比較不 可透過的材料或結構。將外層IIO構造成有效地用作密封層也可降低 流體在模塊式接頭124和內(nèi)層108之間的連接點處侵入槍內(nèi)部的風險。
現(xiàn)在參照圖3，顯示了根據(jù)本發(fā)明制造的射孔槍200的另一個實 施例。承栽管201包括由多個結構部件204和206形成的單一主體202。 徑向內(nèi)部件206由具有較高抗壓強度的材料形成。徑向外部件204可 通過化學、熱或機械地改變內(nèi)部件206的外表面從而獲得較高的抗拉 強度而形成。當然，可使用兩個以上的分離部件。例如，中間層可用 于適應比如由于熱膨脹所造成的畸變。
現(xiàn)在參照圖4，顯示了射孔槍220的一個實施例，所述射孔槍以 適用于高壓井操作的方式利用一個或多個鋼部件。射孔槍220包括承 栽管221，該承栽管221具有內(nèi)芯或內(nèi)層222和外套筒或外層224，所
9述內(nèi)芯或內(nèi)層222具有一種或多種選擇用來抵抗射孔槍220的內(nèi)部和 外部之間的壓差的材料性能，所述外套管或外層224可容放破裂的內(nèi) 層222以使破裂的內(nèi)層222可被收回到地面。在一個實施例中，內(nèi)芯 或內(nèi)層222由具有較高抗壓強度的鋼形成，外套筒或外層224由具有 較高抗拉強度的材料形成。例如，內(nèi)層222可以是具有選擇性地改變 的材料性能的鋼管。在一個實施例中，內(nèi)層222使用具有足以抵抗高 井眼壓力的硬度(即抗壓強度)的鋼。但是，眾所周知，具有這樣高 硬度的鋼(在此稱為較高硬度鋼)可能很難加工并且可能在射孔彈爆 炸或如果誤操作(例如跌落或與物體撞擊)時破裂。有利地，內(nèi)層222 的端部226被熱處理以便將硬度降低到使得可在端部226上容易加工 出螺紋228或其他連接機構的程度。因而，在這樣的一個實施例中， 材料性能(比如硬度、延展性或屈服強度)在內(nèi)層222的長度上發(fā)生 改變。外層224可由碳纖維復合材料形成。
通常，用于外層的適當材料可包括例如碳、玻璃、硅石、石墨、 KEVLARTM、 NOMEXTm和/或ARAMID 的纖維和由纖維與基體材 料組合而成的其他材料。帶涂層纖維也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。其他 適當?shù)牟牧习ň酆衔?例如熱固塑料和熱塑性塑料)、陶資、鋼、鋼 合金、非鋼合金、基本金屬和金屬間化合物。例如，纖維復合材料可 由玻璃和/或碳纖維與作為基底材料的環(huán)氧樹脂構造而成。纖維可被嵌 入單一基體材料中或嵌入多于一種基體材料的混合物中。纖維可以都 是一種材料或者包括多種材料的組合。
只要內(nèi)層的相對抗壓強度高于外層的，并且外層的相對抗拉強度 高于內(nèi)層的，用于內(nèi)層的適當材料也可選自與用于外層相同的列表。 在呈現(xiàn)高井眼壓力的井中，也可選擇改良的高強度鋼，該改良的高強 度鋼可能特別有效。在將這種鋼用于內(nèi)層的情況下，爆炸可能導致形 成毛邊，所述毛邊是如下所述的區(qū)域，在這些區(qū)域中，爆炸所形成的 射孔使圍繞孔的鋼邊緣變形，從而使其相對于承載管的整個表面沿徑 向向外方向升高或突出。這樣的毛邊可能在從井眼收回槍方面存在問 題，這是因為毛邊可能卡在比如井套管的部分的相鄰結構上。該問題
10可通過將改良的高強度鋼內(nèi)層和較高屈服強度的外層(例如碳纖維復 合材料)相組合來解決。這種組合可用于減少毛邊的突出，導致由爆 炸所形成的孔較小。該組合還可減少毛邊卡在比如井套管的部分的相 鄰結構上的可能性。最后，該組合還可以容放比如如果內(nèi)層在爆炸過 程中破碎可能產(chǎn)生的所耗用射孔彈的殘余物或任何鋼片的碎屑。
作為比較，鋼也可在不存在高井眼壓力的應用中用于外層，但是 在該情況下，希望鋼是具有比內(nèi)層材料更高屈服強度的材料。例如， 傳統(tǒng)鋼(即非高硬度鋼)外層可與陶瓷內(nèi)層組合。在該情況下，鋼外 層可主要用于容放可能由于爆炸而產(chǎn)生的任何陶瓷片。因而，無論使 用或不使用鋼作為部件，本領域技術人員可想到對本發(fā)明進行適應性 改變以使其能夠有利地既應用于高井眼壓力井又應用于較小壓力井。
應該理解的是，在此所用的部件術語，例如芯或?qū)?，不旨在暗?任何特別的制造方法、形狀、材料或尺寸。
前面的描述針對的是為了說明和解釋本發(fā)明的特定實施例。但是， 對于本領域技術人員來說顯而易見的是，在不偏離本發(fā)明范圍的情況 下，可對上面提出的實施例進行很多修改和改變。下面的權利要求應 被解釋為包括所有這樣的修改和改變。
權利要求
1. 一種用于為井眼射孔的設備，包括(a)彈保持部件；(b)附在所述彈保持部件中的多個聚能射孔彈；(c)導爆索，所述導爆索在能量方面連接至每一個聚能射孔彈；和(d)承載管，所述承載管具有用于接收所述彈保持部件的內(nèi)孔，所述承載管包括(i)徑向內(nèi)層；和(ii)徑向外層，其中，所述徑向外層具有比所述徑向內(nèi)層高的抗拉強度。
2. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述徑向內(nèi)層至少部分由 下列材料中的一種形成(i)鋼；(ii)基本金屬；(iii)非鋼合金；(iv) 陶瓷；和(v)纖維復合材料。
3. 根據(jù)權利要求2所述的設備，其中，所述徑向內(nèi)層由較高硬度 鋼形成。
4. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述徑向外層至少部分由 下列材料中的一種形成(i)鋼；(ii)基本金屬；(iii)非鋼合金；(iv) 陶瓷；和(v)纖維復合材料。
5. 根據(jù)權利要求4所述的設備，其中，所述纖維復合材料具有至 少由下列材料中的一種形成的纖維(i)碳，(ii)玻璃，(iii)硅石，(W )石墨，(v ) KEVLARTm， ( vi) NOMEX ,和(vii) ARAMID，。
6. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述徑向外層與所述徑向 內(nèi)層的至少一部分接觸連接以使所述徑向外層密封所述部分。
7. 根據(jù)權利要求6所述的設備，其中，所述接觸連接至少為下列 連接中的一個(i)粘合劑粘合；和(ii)機械連接。
8. 根據(jù)權利要求6所述的設備，其中，所述徑向外層形成為所述 徑向內(nèi)層上的套筒。
9. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述徑向外層在所述聚能 射孔彈爆炸過程中或爆炸之后容放所述徑向內(nèi)層的至少一部分。
10. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述徑向內(nèi)層能夠抵抗 所述徑向外層外部的井眼壓縮力。
11. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述徑向內(nèi)層具有比所 述徑向外層高的抗壓強度。
12. —種用于井眼射孔槍的承載管，包括(a) 管狀芯；和(b) 保持部件，所述保持部件圍繞所述管狀芯，其中，由所述 傳送管外部的井眼流體壓力施加的壓縮力基本上能透過所述保持部 件；而且其中，所述保持部件在所述至少一個聚能射孔彈爆炸后容放 所述管狀芯的至少一部分碎片。
13. 根據(jù)權利要求12所述的承載管，其中，所述管狀芯具有比所 述保持部件高的抗壓強度。
14. 根據(jù)權利要求12所述的承載管，其中，所述管狀芯的材料至 少部分由下列材料中的一種形成(i)鋼；(ii)基本金屬；(iii)非鋼 合金；(iv)陶瓷；和(v)纖維復合材料。
15. 根據(jù)權利要求12所述的承載管，其中，徑向外部件至少部分 由下列材料中的一種形成(i)鋼；(ii)基本金屬；(iii)非鋼合金；(iv)陶瓷；和(v)纖維復合材料。
16. —種用于使用井眼射孔槍在較高壓力井眼環(huán)境中為井眼射孔 的方法，包4舌(a) 在管狀芯中設置井眼射孔槍的至少一個聚能射孔彈；和(b) 用保持部件圍繞所述管狀芯，其中，由所述承載管外部的 井眼流體壓力施加的壓力基本能透過所述保持部件，而且其中，所述 保持部件在所述至少一個聚能射孔彈爆炸之后容放所述管狀芯的至少 一部分碎片。
17. 根據(jù)權利要求16所述的方法，還包括至少部分地用下列材料 中的一種形成徑向內(nèi)層(i)鋼；(ii)基本金屬；(iii)非鋼合金；(iv)陶瓷；和(v)纖維復合材料。
18. 根據(jù)權利要求16所述的方法，還包括至少部分地用下列材料 中的一種形成徑向外層(i)鋼；(ii)基本金屬；(iii)非鋼合金；(iv) 陶瓷；和(v)纖維復合材料。
19. 根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，徑向內(nèi)層具有比徑向外 層高的抗壓強度。
20. 根據(jù)權利要求16所述的方法，還包括將所述井眼射孔槍運 送到所述井眼中；發(fā)射所述井眼射孔槍；和收回所述井眼射孔槍。
全文摘要
一種在井眼射孔槍中使用的承載管具有選自不同相對物理性能的材料的內(nèi)層和外層。內(nèi)層具有較高的抗壓強度，外層具有較高的屈服強度。內(nèi)層使傳送管能夠抵抗井眼壓縮力，其可根據(jù)所選擇的材料包括較高的壓力，而外層容放槍爆炸時所形成的任何內(nèi)層碎片。應該強調(diào)的是，本摘要的提供是為了符合要求允許檢索者或其他讀者快速確定本發(fā)明公開內(nèi)容的主題的摘要的規(guī)定。應理解，摘要將不用于解釋或限制權利要求的范圍或含義。
文檔編號E21B43/117GK101490363SQ200780025768
公開日2009年7月22日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權日2006年5月26日
發(fā)明者C·霍爾舍, D·W·普拉特, J·M·韋斯特, L·A·韋斯納, T·E·拉格蘭奇 申請人:歐文石油工具有限合伙公司