專(zhuān)利名稱(chēng):與石油井穿孔器相關(guān)的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于穿孔和破裂地下井完成的穿孔器的反應(yīng)性聚能射孔彈襯里。本發(fā)明還涉及包括所述襯里的穿孔器和穿孔槍?zhuān)约笆褂眠@種裝置的方法。
背景技術(shù)：
到目前為止，在套管井內(nèi)進(jìn)行完井時(shí)最顯著的過(guò)程為在生產(chǎn)區(qū)(也稱(chēng)作地層)與井筒之間提供流動(dòng)路徑。通常，提供這種流動(dòng)路徑通過(guò)使用穿孔器完成，最初在套管上產(chǎn)生孔眼并之后經(jīng)由水泥層穿入地層中。該過(guò)程通常被稱(chēng)為穿孔。通常，穿孔器采用聚能射孔彈的形式。在下文中，除非另有限定，任何涉及的穿孔器都應(yīng)當(dāng)指聚能射孔彈穿孔器。
聚能射孔彈為一種高能設(shè)備，其由殼體構(gòu)成，在殼體內(nèi)設(shè)置有襯里，通常是金屬襯里。該襯里提供了空腔的一個(gè)內(nèi)表面，其余表面由殼體提供。所述空腔填充有炸藥，當(dāng)炸藥被引爆時(shí)，其可使襯里材料破裂并以材料的高速?lài)娏餍问綇奶坠車(chē)姵?。這一噴流撞擊在井套管上，從而產(chǎn)生孔眼，且噴流之后繼續(xù)穿入地層本身，直至所述噴流的動(dòng)能被地層內(nèi)的材料克服為止。通常，在鄰近地層的套管的特定區(qū)域內(nèi)需要大量的穿孔。為此，通過(guò)鋼絲繩、盤(pán)管或本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的任意其它技術(shù)將所謂的穿孔槍布置在套管內(nèi)。該槍實(shí)際上為用于多個(gè)穿孔器的托架，所述穿孔器具有相同或不同輸出。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種反應(yīng)性石油和天然氣井聚能射孔彈穿孔器襯里，包括至少兩種金屬成分的反應(yīng)性成分，其中，所述襯里是包括球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒的壓制顆粒成分。通過(guò)反應(yīng)性，我們指的是在相關(guān)聚能射孔彈設(shè)備引爆后球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒一起能夠放熱反應(yīng)，以形成金屬間化合物。
存在放熱的且可用于煙火應(yīng)用的許多金屬間合金反應(yīng)。例如，鋁和鈀之間的合金反應(yīng)釋放327 cals/g和鋁/鎳系統(tǒng)，從而產(chǎn)生化合物N1-Al，釋放329 cals/g(2290 cals/cm3)。相比而言，在引爆時(shí)，TNT給予大約2300 cals/cm3的總能量釋放，從而反應(yīng)具有與TNT引爆類(lèi)似的能量密度，但是當(dāng)然沒(méi)有氣體釋放。形成N1-Al的熱量是在293開(kāi)氏度時(shí)大約17000 cal/mol,且由于在兩種不類(lèi)似金屬之間形成的新鍵。
在常規(guī)聚能射孔彈中，能量通過(guò)噴流的高動(dòng)能的直接撞擊產(chǎn)生。另一方面，反應(yīng)性噴流構(gòu)成附加熱能源，其可以用于施加到目標(biāo)底層中(從而引起對(duì)巖層的更多損害，與不反應(yīng)噴流相比)。巖層通常是多孔的，且在所述孔中包括烴(氣體和液體)和/或水。在包括根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)性襯里的聚能射孔彈中，通過(guò)噴流的直接撞擊且還通過(guò)來(lái)自于放熱反應(yīng)成分的加熱效果引起斷口。該加熱效果通過(guò)物理手段施加進(jìn)一步損害，例如由于在石油和/或天然氣完井中存在的流體的快速加熱和伴隨的膨脹。這增加流體的壓力，從而引起巖層破裂。在完井中反應(yīng)性成分和材料之間還可能存在一定程度的化學(xué)反應(yīng)。增加的斷口增加了石油和天然氣流出巖層可用的總穿透深度和容積。要清楚的是，孔的深度和寬度的增加導(dǎo)致更大的孔容積和石油或天然氣流動(dòng)的伴隨改進(jìn)，即，流體可以流動(dòng)的孔容積的更大表面面積。
為了金屬顆粒成分適合用于聚能射孔彈襯里，期望金屬間反應(yīng)可以在合適閾值下沖擊引發(fā)。鎳和鋁粉末混合物的沖擊引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)和理論研究表明，反應(yīng)的閾值壓力對(duì)于球形顆粒成分是大約14 GPa0該壓力在用于大多數(shù)聚能射孔彈應(yīng)用中的現(xiàn)代炸藥的沖擊波中容易獲得，從而N1-Al可以用于聚能射孔彈襯里，以給予反應(yīng)性高溫噴流。噴流溫度估計(jì)為2200開(kāi)氏度。Pd-Al系統(tǒng)也適合用于聚能射孔彈襯里。然而，鈀是昂貴的鉬族金屬，因而，鎳-鋁系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
還期望從襯里獲得可能的最大能量量，通過(guò)確保金屬間反應(yīng)完成，接近完成或者盡可能接近完成。
成分金屬的顆粒尺寸對(duì)得到的聚能射孔彈噴流的屬性的影響也已知為獲得良好性能的重要因素。微米和納米尺寸鋁和鎳粉末均可商業(yè)獲得，且其混合物經(jīng)受快速的自維持的放熱反應(yīng)。這種類(lèi)型的熱N1-Al噴流對(duì)一定范圍的目標(biāo)材料是高度反應(yīng)性的；特別是水化硅酸鹽被有利地攻擊。
盡管使用微米和亞微米顆粒，然而發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在一些襯里應(yīng)用中，金屬間反應(yīng)并不總是完成。因而，金屬間反應(yīng)可用的能量并未完全提取，因而斷口和損害不是最優(yōu)。此外，在一些應(yīng)用(最特別的是在較小聚能射孔彈的情況下)中，已經(jīng)觀察到增強(qiáng)的穿孔效果降低。這應(yīng)當(dāng)是因?yàn)樵谀承┮r里/炸藥射孔彈配置(例如，在較小聚能射孔彈中采用的配置)中，反應(yīng)可能不會(huì)在貫穿襯里的可用容積內(nèi)完成，這繼而可能是因?yàn)樘囟◣缀涡螤顚?dǎo)致襯里中的不一致性能。換句話說(shuō)，在襯里的某些區(qū)域，激活閾值可能未超過(guò)且金屬間反應(yīng)可能未發(fā)生。
上述激活閾值可簡(jiǎn)單地指代激活壓力(更具體地，沖擊壓力)，但是激活閾值更可能指代多個(gè)因素的組合，例如壓力、變形和/或熱力因素。更一般地，激活閾值指代施加給系統(tǒng)的總能量，且可以認(rèn)為是激活能量。當(dāng)然，技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在使用中，聚能射孔彈襯里的物理和化學(xué)性能復(fù)雜，且本發(fā)明并不旨在受到激活閾值的任何闡述的限制。
在本發(fā)明中，襯里的反應(yīng)性成分包括具有不同形態(tài)的金屬顆粒。更具體地，襯里包括具有球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒的壓制成分。使用球形和非球形顆粒(尤其是球形和片狀顆粒)的混合物的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，與僅僅包括球形金屬顆粒的混合物相比，啟動(dòng)金屬間反應(yīng)所需的激活能量或外部施加壓力減小。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，金屬間反應(yīng)更可能完成，因而，襯里的放熱能量輸出增加。又一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，反應(yīng)性襯里的材料通常被耗盡，從而在剛剛形成的孔中沒(méi)有留下襯里材料嵌片。(在非反應(yīng)性襯里的情況下，留下的嵌片可形成對(duì)從完井的石油和/或天然氣流的又一個(gè)障礙)。
為了清楚，壓制顆粒成分是包括已經(jīng)被壓制的球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒(gp，球形和非球形顆粒已經(jīng)被壓制在一起)的顆粒成分。將理解的是，壓制過(guò)程可以引起成分顆粒的一些變形，從而球形金屬顆粒例如變得稍微非球形。然而，非球形顆粒的縱橫比仍然大于球形顆粒。
顆粒可以具有壓制金屬襯里的顆粒的任何常用尺寸，例如微米、亞微米或甚至納米尺寸粉末，只要非球形金屬顆粒具有比球形金屬顆粒更大的縱橫比。在非球形顆粒的情況下，一個(gè)或多個(gè)尺寸可具有與一個(gè)或多個(gè)其它尺寸不同的尺寸量級(jí)。通過(guò)說(shuō)明的方式，非球形顆?？梢允蔷哂?00X50微米量級(jí)(比如)的平面尺寸的片，但是厚度可以是納米度量(比如大約I nm)。
術(shù)語(yǔ)“縱橫比”指的是其較長(zhǎng)或最長(zhǎng)尺寸與其較短或最短尺寸的比。
術(shù)語(yǔ)“球形顆?！敝傅氖峭ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)制造方法生產(chǎn)為球形或接近球形顆粒的顆粒。這可以包括例如扁球體。
優(yōu)選地，球形顆粒具有的直徑小于非球形金屬顆粒的平均最長(zhǎng)尺寸。在優(yōu)選配置中，球形顆粒具有的平均直徑為50微米或更小，更優(yōu)選25微米或更小，最優(yōu)選在5微米至20微米的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，非球形金屬顆粒的平均最長(zhǎng)尺寸為球形顆粒的直徑的至少兩倍。
優(yōu)選地，非球形金屬選自片狀、桿形或橢球形顆粒，更優(yōu)選為片狀顆粒。在優(yōu)選配置中，非球形顆粒是片狀顆粒，且具有的縱橫比優(yōu)選小于500:1，更優(yōu)選小于300:1，具有的縱橫比更優(yōu)選在10:1至300:1的范圍內(nèi)，具有的縱橫比最優(yōu)選在50:1至200:1的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，非球形金屬顆粒具有小于300微米的平均最長(zhǎng)尺寸，更優(yōu)選在2微米至50微米范圍內(nèi)的平均最長(zhǎng)尺寸。
技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，術(shù)語(yǔ)“片”通常指的是平坦的薄材料件。在本發(fā)明中，片可以具有任何便利的規(guī)則或不規(guī)則形狀，優(yōu)選為規(guī)則形狀，例如方形、矩形、圓盤(pán)、橢圓或葉形。矩形或方形片最優(yōu)選。優(yōu)選地，但不是必要地，片狀顆粒是平面的或接近平面的。
優(yōu)選地，至少兩種金屬中的更具延展性金屬選擇為球形顆粒。這是因?yàn)榘l(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在引爆后，沖擊波引起的壓縮提供更好的顆?；旌希蚨叻磻?yīng)可能性。由于該原因，在反應(yīng)性成分中存在時(shí)，鋁通常優(yōu)選作為球形顆粒。
襯里還可以包括至少一種其它惰性金屬，其相對(duì)于其余反應(yīng)性成分基本上是惰性的，其它金屬優(yōu)選以大于襯里的10% w/w的量存在。更優(yōu)選地，所述至少一種其它金屬以大于襯里的20% w/w (甚至更優(yōu)選大于襯里的40% w/w)的量存在。在又一優(yōu)選選擇中，其它金屬以襯里的40%至95% w/w的范圍存在,更優(yōu)選40%至80% w/w的范圍，更優(yōu)選襯里的40%至70% w/w的范圍。重量w/w的重量百分比是相對(duì)于襯里的總成分而言的。
所述至少一種其它金屬可以認(rèn)為是相對(duì)于其余反應(yīng)性成分是基本上不反應(yīng)的或者基本上惰性的。通過(guò)術(shù)語(yǔ)“基本上惰性”，我們指的是與在形成反應(yīng)性成分的非球形和球形顆粒之間的形成能相比，其它金屬與反應(yīng)性成分僅僅具有減少的形成能(如果認(rèn)為有的話)。
所述至少一種其它金屬優(yōu)選地選自高密度金屬。特別適合的金屬是銅或鎢，或其混合物，或其合金。所述至少一種其它金屬優(yōu)選混合且一致地分散在反應(yīng)性成分內(nèi)以形成混合物?？蛇x地，襯里還可以包括至少一種其它金屬層，所述層通常由反應(yīng)性成分層覆蓋。所述層然后可以通過(guò)任何已知擠壓技術(shù)擠壓以形成壓實(shí)或壓制襯里。
與鋁和片狀金屬顆粒(例如，鎳或鈀)之間的反應(yīng)相比，鋁(例如)和所述至少一種其它金屬(例如鎢或銅)之間的反應(yīng)可能較不利且放熱少，因而不太可能是這種反應(yīng)的主要產(chǎn)物。然而，技術(shù)人員將清楚，雖然所述至少一種其它金屬和鋁之間的反應(yīng)較不利，但是在詳細(xì)研究后仍然可觀察微量的這種反應(yīng)產(chǎn)物。
如上所述，在相關(guān)聚能射孔彈設(shè)備引爆后，球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒一起能夠放熱反應(yīng)以形成金屬間化合物。因而，相應(yīng)金屬被選擇使得在供應(yīng)足夠能量(即，超過(guò)引起放熱反應(yīng)的激活能量的能量量)時(shí)，金屬顆粒將反應(yīng)以產(chǎn)生大量的能量，通常以熱量的形式。[0026]使用球形顆粒和非球形金屬顆粒的非化學(xué)計(jì)量比量將提供放熱反應(yīng)。然而，這種成分可能不提供最佳能量量。在優(yōu)選實(shí)施例中，襯里的放熱反應(yīng)通過(guò)使用至少兩種金屬的基本上化學(xué)計(jì)量比(摩爾)混合物實(shí)現(xiàn)。所述至少兩種金屬優(yōu)選被選擇，使得其在聚能射孔彈襯里激活后產(chǎn)生電子化合物，伴隨熱量和/或光的釋放。反應(yīng)通常僅僅涉及兩種金屬，但是涉及多于兩種金屬的金屬間反應(yīng)是已知的且不從本發(fā)明排除。
存在可以形成的許多不同電子化合物(也稱(chēng)為金屬間電子化合物或電子金屬間化合物)。便利地，這些化合物可以分組為Hume-Rothery化合物。電子化合物通常通過(guò)高熔點(diǎn)金屬(例如，Cu、Ag、Au、Fe、Co、Ni)與較低熔點(diǎn)金屬(例如，Cd、Al、Sn、Zn、Be)反應(yīng)形成。Hume-Rothery類(lèi)別借助于其價(jià)電子濃度來(lái)辨別金屬間化合物，即構(gòu)成化學(xué)鍵的價(jià)電子_原子比(Ne:Na)。通常，這可以表示為簡(jiǎn)單整數(shù)的商。示例性比為3/2、7/4和21/13。
優(yōu)選地,在本發(fā)明中，所述至少兩種金屬被選擇以產(chǎn)生Hume- Rothery金屬間化合物，更優(yōu)選地，所述至少兩種金屬被選擇以在操作中產(chǎn)生具有選自3/2、7/4、9/4和21/13的電子-原子比的金屬間化合物。本發(fā)明的反應(yīng)性襯里在兩種金屬(即，球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒)以被計(jì)算給予3/2、7/4、9/4或21/13的電子-原子比(更優(yōu)選3價(jià)電子-2原子比)的相應(yīng)比例提供時(shí)給予特別有效的結(jié)果。最優(yōu)選地，反應(yīng)性成分包括可以反應(yīng)以形成具有3/2電子-原子比的Hume- Rothery化合物的兩種金屬。
因而，有利的放熱能量輸出可以在本發(fā)明使用化學(xué)計(jì)量比成分實(shí)現(xiàn)，例如Co-Al、Fe-Al、Pd-Al、CuZn、Au3A1、C5Sn和N1-Al (其全部具有3/2的電子濃度)。基于鋁的成分特別適合，因?yàn)锳l是便宜的、可容易獲得的材料。優(yōu)選地，但不是必要地，鋁是球形顆粒，且另一種金屬是非球形(優(yōu)選為片狀)材料。更優(yōu)選成分是鎳和鋁，鈀和鋁，優(yōu)選以化學(xué)計(jì)量比數(shù)量混合。上述示例，在被迫經(jīng)受反應(yīng)時(shí)，提供完美的熱輸出，且在鎳、鐵和鋁的情況下，是相對(duì)便宜的材料。最優(yōu)選成分是N1-Al。
通過(guò)示例，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的NiAl襯里，觀察到重要益處。使用單軸向應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，已經(jīng)表明，當(dāng)兩種金屬都作為球形金屬顆粒存在時(shí)，襯里僅僅在經(jīng)受〉 14 GPa的峰值反射壓力時(shí)反應(yīng)。該數(shù)字對(duì)于球形鋁和片狀鎳來(lái)說(shuō)減小為大約6 GPa0使用較低閾值壓力來(lái)引起金屬間反應(yīng)(與聚能射孔彈的三軸向應(yīng)力系統(tǒng)的較低激活能量相對(duì)應(yīng))的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于確保較大百分比的反應(yīng)完成。較低閾值壓力的又一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，較低輸出炸藥可以用于產(chǎn)生相同效果。這對(duì)于小聚能射孔彈(即，具有小于大約32 _的直徑的聚能射孔彈)的襯里特別有益，特別是襯里厚度開(kāi)始表示顆粒尺寸的顯著部分的襯里。
優(yōu)選地，反應(yīng)性成分包括鋁和至少一種金屬，鋁與所述至少一種金屬放熱反應(yīng)以形成金屬間化合物。更優(yōu)選地，反應(yīng)性成分包括鋁和選自以下組的至少一種金屬:Ce、Fe、Co、L1、Mg、Mo、N1、Nb、Pb、Pd、Ta、T1、Zn 和 Zr ;更優(yōu)選地選自以下組:Ce、Fe、Co、L1、Mg、N1、Pb、Pd、T1、Zn和Zr ;最優(yōu)選地選自以下組:Fe、Co、Ni和Pd，以已知在混合時(shí)產(chǎn)生放熱事件的組合。鋁可以作為球形顆粒提供，所述至少一種金屬作為非球形顆粒，或者反之亦然。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，襯里成分包括球形鋁和至少一種片狀金屬顆粒。在供應(yīng)足夠能量(即，超過(guò)引起放熱反應(yīng)的激活能量的能量量)時(shí)，所述成分反應(yīng)以產(chǎn)生大量的能量，通常以熱量的形式。啟動(dòng)電子化合物(即，金屬間)反應(yīng)的能量通過(guò)聚能射孔彈設(shè)備中的高性能炸藥引爆來(lái)供應(yīng)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，非球形金屬可以選自周期表類(lèi)別中的族VIIIA、VIIA、VIA、IIB和IB中的任一個(gè)的金屬。優(yōu)選地，金屬選自族VIIIA、VIIA、和IIB，更優(yōu)選為族VIIIA。理想地，非球形金屬選自包括鐵、鈷、鎳和鈕的組。
襯里可通過(guò)任何合適方法制備，例如通過(guò)擠壓所述成分以形成生壓坯。將清楚的是，必須考慮在形成襯里期間施加給反應(yīng)性材料的任何機(jī)械或熱能，從而避免不希望的放熱反應(yīng)。優(yōu)選地，襯里是反應(yīng)性成分和所述至少一種其它金屬的顆粒的混合物。優(yōu)選地，襯里通過(guò)使用已知方法擠壓顆?；旌衔镄纬桑孕纬蓴D壓(也稱(chēng)為壓制或壓實(shí))襯里。
在擠壓反應(yīng)性成分以形成生壓制襯里的情況下，可能需要粘合劑。粘合劑可以是粉末軟金屬或非金屬材料。優(yōu)選地，粘合劑包括聚合材料(例如PTFE)或有機(jī)化合物(例如，硬脂酸酯、石蠟或環(huán)氧樹(shù)脂)?？蛇x地，粘合劑可以選自高能粘合劑，例如Polyglyn (聚縮水甘油硝酸酯)、GAP (聚疊氮縮水甘油醚)或Polynimmo (聚(3-甲基硝酸酯_3_甲基環(huán)氧丁烷))。粘合劑還可以是金屬硬脂酸鹽，例如硬脂酸鋰或硬脂酸鋅。
便利地，形成襯里成分的一部分的球形顆粒和/或非球形顆粒和/或其它金屬用一種前述粘合劑材料涂覆。通常，粘合劑，不管是用于預(yù)先涂覆金屬還是直接混合到含有金屬的成分中，以按質(zhì)量計(jì)1%至5%的范圍存在。
有利地，如果在反應(yīng)性襯里的成分中球形顆粒和非球形顆粒(例如，鎳和鋁，或者鐵和鋁，或者鈀和鋁)的最長(zhǎng)尺寸小于10微米，甚至更優(yōu)選小于I微米，那么襯里的反應(yīng)性和因而放熱反應(yīng)速率將進(jìn)一步增加。由此，從可容易獲得材料(如前文公開(kāi)的那些)形成的反應(yīng)性成分可提供這樣的襯里，不僅具有切割噴流的動(dòng)能(由炸藥提供)，還具有來(lái)自于成分的放熱化學(xué)反應(yīng)的附加熱能。
在小于0.1微米的顆粒直徑尺寸時(shí)，反應(yīng)性成分中的金屬作為聚能射孔彈襯里材料日益具有吸引力，由于其由于反應(yīng)性成分的較高相對(duì)表面面積引起的進(jìn)一步提高的放熱輸出。減小顆粒直徑的又一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，隨著所述至少一種其它金屬的顆粒尺寸減小，在壓實(shí)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的實(shí)際密度增加。隨著顆粒尺寸減小，可以實(shí)現(xiàn)的實(shí)際壓實(shí)密度開(kāi)始趨近所述至少一種其它金屬的理論最大密度。
反應(yīng)性襯里厚度可以選自任何已知或常用壁襯里幾何形狀厚度。襯里壁厚度通常相對(duì)于襯里基部直徑表示且優(yōu)選選自襯里直徑的I至10%的范圍，更優(yōu)選為襯里直徑的I至5%的范圍。在一個(gè)配置中，襯里可以具有漸縮厚度的壁，從而在襯里頂點(diǎn)處的厚度與襯里基部處的厚度相比減小?？蛇x地，錐度可以選擇，使得襯里的頂點(diǎn)比朝向其基部的襯里壁顯著更厚。又一個(gè)可選方案為，襯里的厚度跨過(guò)其表面區(qū)域或截面不一致；例如，錐形襯里(截面)，其中，斜率/斜度包括圍繞襯里軸線劃線的混合半角以產(chǎn)生可變厚度的襯里。
襯里的形狀可以選自任何已知或常用聚能射孔彈襯里形狀，例如大致錐形、郁金香、喇πΛ或半球形。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種反應(yīng)性石油和天然氣井聚能射孔彈穿孔器襯里，包括壓制顆粒反應(yīng)性成分，所述成分包括鋁顆粒和至少一種金屬顆粒，其中，所述至少一種金屬顆粒的縱橫比大于鋁顆粒。通過(guò)反應(yīng)性，我們指的是在相關(guān)聚能射孔彈設(shè)備引爆后鋁顆粒和至少一種金屬顆粒一起能夠放熱反應(yīng)，以形成金屬間化合物。
優(yōu)選地，所述成分包括能夠放熱反應(yīng)的兩種金屬，第一金屬選自鋁，第二金屬選自族VIIIA、VIIA和IIB中的任一個(gè)，其中，第二金屬顆粒的縱橫比大于鋁顆粒。
本發(fā)明的另一方面提供一種生產(chǎn)反應(yīng)性聚能射孔彈襯里的方法，所述方法包括步驟:提供至少兩種金屬的成分以及壓制所述成分以形成襯里，其中，所述成分包括球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒。通過(guò)反應(yīng)性，我們指的是在相關(guān)聚能射孔彈設(shè)備引爆后球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒一起能夠放熱反應(yīng)，以形成金屬間化合物。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供反應(yīng)性成分在石油和天然氣井聚能射孔彈穿孔器襯里中的用途，所述反應(yīng)性成分包括至少兩種金屬，其中，襯里是包括大致球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒的壓制顆粒成分。
還提供一種改進(jìn)從石油或天然氣井的流體流出的方法，包括步驟:使用根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)性襯里。優(yōu)選地，來(lái)自于金屬間反應(yīng)(即，來(lái)自于襯里)的能量施加給井的飽和底層。
還提供適合用于聚能射孔彈襯里的壓制顆粒反應(yīng)性成分，所述成分包括鋁和與鋁經(jīng)受放熱金屬間反應(yīng)的至少一種金屬，其中，所述至少一種金屬顆粒的縱橫比大于鋁顆粒。操作中，所述成分在激活相關(guān)聚能射孔彈時(shí)提供熱能，所述熱能施加給井的飽和底層。
本發(fā)明的另一方面包括適合于井下使用的聚能射孔彈，包括殼體、一定數(shù)量的高性能炸藥和位于殼體內(nèi)的如前文所述的襯里，所述高性能炸藥位于襯里和殼體之間。
優(yōu)選地，所述殼體由鋼制成，但是取而代之，所述殼體可部分或全部由前文限定的反應(yīng)性襯里成分中的一種形成，優(yōu)選通過(guò)前述擠壓技術(shù)中的一種。在后一情況下，在引爆時(shí)，外殼將通過(guò)反應(yīng)耗盡。有利地，這減少形成碎片的可能性。如果碎片未通過(guò)穿孔槍的邊界基本上截留，可引起對(duì)從完井的石油和/或天然氣流的又一個(gè)障礙。
高性能炸藥可選自如下高性能炸藥產(chǎn)品范圍，如RDX、TNT、RDX/TNT、HMX、HMX/RDX、TATB、HNS。易于理解，劃分為高性能炸藥的任何合適高能材料可以用在本發(fā)明中。然而，由于井筒中經(jīng)歷的升高溫度，因此一些炸藥類(lèi)型優(yōu)選用于石油井穿孔器。
作為開(kāi)口端的最寬點(diǎn)處的襯里直徑可具有與殼體基本上相同的直徑，以便可被認(rèn)為是全口徑襯里(full calibre liner)，或者可選地，襯里可以選擇為小口徑襯里(subcalibre liner),以便襯里的直徑在全直徑的80%-95%的范圍內(nèi)。在具有全口徑襯里的典型圓錐形聚能射孔彈中，襯里基部與殼體之間的爆炸載荷是很小的，從而在使用時(shí)圓錐的基部將僅僅經(jīng)受最小的載荷量。因此，在小口徑襯里內(nèi)，襯里的基部和殼體之間可以裝有較大質(zhì)量的高性能炸藥以確保更大比例的基部襯里轉(zhuǎn)變成切割噴流。
穿入完井中的深度是完井工程中的關(guān)鍵因素，從而通常期望垂直于套管點(diǎn)火穿孔器以實(shí)現(xiàn)最大穿透，如現(xiàn)有技術(shù)中突出的那樣，通常還垂直于彼此以實(shí)現(xiàn)最大深度每次射孔。還期望定位和對(duì)齊穿孔器中的至少兩個(gè)，使得切割噴流將在相同點(diǎn)處或附近會(huì)聚、相交或碰撞。在可選實(shí)施例中，至少兩個(gè)穿孔器被定位和對(duì)齊，使得切割噴流將在相同點(diǎn)處或附近會(huì)聚、相交或碰撞，其中，至少一個(gè)穿孔器是前文限定的反應(yīng)性穿孔器。特定應(yīng)用的穿孔器的定相是完井工程師要考慮的重要因素。
前文所述的穿孔器可以直接插入到任何地下的完井中，然而，常常期望使所述穿孔器并入穿孔槍中以允許多個(gè)穿孔器布置在完井中。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供使用一個(gè)或多個(gè)聚能射孔彈穿孔器或者前文限定的一個(gè)或多個(gè)穿孔槍完成石油或天然氣井的方法。
技術(shù)人員將理解，流入是來(lái)自于完井的流體流，例如石油或天然氣。
便利地，流體流入的改進(jìn)可通過(guò)使用反應(yīng)性襯里來(lái)提供，其反應(yīng)以產(chǎn)生超過(guò)2000K的溫度的噴流，使得在使用中所述噴流與石油或天然氣井的飽和底層反應(yīng)，從而引起逐漸露出的穿孔槍隧道中的增加壓力。在優(yōu)選實(shí)施例中，石油或天然氣井在基本上中性平衡條件下完成。這是特別有利的，因?yàn)樵S多完井使用欠平衡條件下進(jìn)行以從穿孔的孔去除碎屑。在完井中產(chǎn)生欠平衡需要附加設(shè)備和費(fèi)用。便利地，石油或天然氣井的流入的改進(jìn)可通過(guò)使用前文限定的一個(gè)或多個(gè)穿孔器或一個(gè)或多個(gè)穿孔槍獲得。
因而，還提供一種旨在進(jìn)行改進(jìn)從井的流入的方法的石油和天然氣井穿孔系統(tǒng)，包括前文限定的一個(gè)或多個(gè)穿孔槍或一個(gè)或多個(gè)聚能射孔彈穿孔器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供前文限定的反應(yīng)性襯里或穿孔器用來(lái)增加石油或天然氣完井中的斷口的用途，從而改進(jìn)來(lái)自于所述井的流入。
本發(fā)明的又一方面提供前文限定的反應(yīng)性襯里或穿孔器或穿孔槍用來(lái)減少穿孔隧道中的碎屑的用途。這種碎屑的減小在本領(lǐng)域中通常稱(chēng)為清理。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種改進(jìn)從井流入的方法，包括步驟:使用根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)襯里、穿孔器或穿孔槍來(lái)對(duì)井進(jìn)行穿孔。流入性能借助于所形成的改進(jìn)穿孔來(lái)改進(jìn)，其具有較大直徑，在穿孔隧道端部處的較大表面面積和清理的孔(基本上沒(méi)有碎屑的孔)。
之前在本領(lǐng)域中，為了在巖層中形成大直徑隧道/斷口，采用大孔穿孔器。大孔穿孔器設(shè)計(jì)成提供大的孔，顯著減少穿入巖層的深度。工程師可以使用大孔穿孔器和標(biāo)準(zhǔn)穿孔器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)期望深度和容積?？蛇x地，使用串聯(lián)設(shè)備襯里，其包含大孔穿孔器和標(biāo)準(zhǔn)穿孔器兩者。這通常導(dǎo)致穿孔槍中較少穿孔器每單位長(zhǎng)度，且可以引起減少流入。大孔穿孔器還可以用在粉碎粉末形成中，與砂篩結(jié)合，以避免在松砂/粉末穿孔后的流入。
有利地，前文限定的反應(yīng)性襯里和穿孔器引起穿孔深度和容積的增加，使用僅僅一個(gè)聚能射孔彈設(shè)備。另一優(yōu)勢(shì)在于，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)性襯里執(zhí)行深度和直徑(即，孔容積)的雙重作用，從而沒(méi)有炸藥載荷的減小或每單位長(zhǎng)度穿孔器數(shù)量的減小。
本發(fā)明的一個(gè)方面的任何特征可應(yīng)用于本發(fā)明的任何其它方面，在任何合適組合。具體地，設(shè)備方面可應(yīng)用于方法和/或用途方面，且反之亦然。


為了幫助理解本發(fā)明，現(xiàn)在借助示例并參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，其中:
圖1為沿包含根據(jù)本發(fā)明的襯里的聚能射孔彈設(shè)備的縱向軸線的截面圖；
圖2是可以使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的穿孔器的完井的截面圖；
圖3是用于測(cè)試在本發(fā)明襯里中使用的反應(yīng)性成分的炸藥砧臺(tái)系統(tǒng)的示意圖；和 圖4是在圖3的系統(tǒng)中測(cè)試的非球形/球形NiAl顆粒成分的XRD軌跡。
具體實(shí)施方式
圖1是具有大致常規(guī)配置的聚能射孔彈的截面圖，通常圍繞中心線I對(duì)稱(chēng)，包括由金屬(通常但不是排他地，鋼)、聚合物、GRP或根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)性材料制成的大致圓柱形殼體2。根據(jù)本發(fā)明的襯里6具有通常為襯里直徑I至5 %的壁厚，但是在極端情況下可以高達(dá)10%，且為了最大化性能具有可變襯里厚度。襯里6緊密地裝配在圓柱形殼體2的開(kāi)口端部8中。高性能炸藥材料3位于封裝在殼體和襯里之間的容積中。高性能炸藥材料3在設(shè)備的封閉端部處啟動(dòng)，靠近襯里的頂點(diǎn)7，通常通過(guò)位于凹部4中的引爆器或引爆傳輸索。
制造襯里的一種方法通過(guò)在模具中擠壓一定度量的緊密混合和混和粉末以產(chǎn)生最終襯里作為生壓坯。可選地，緊密混合粉末可以以上述相同方式使用，但是生壓制產(chǎn)品接近成品形狀，從而允許發(fā)生一定形式的燒結(jié)或滲透過(guò)程。
具體描述的本發(fā)明的變型對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，且認(rèn)為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，生產(chǎn)微粒襯里的其它方法是合適的。
參考圖2，示出了井21完成的階段，其中，井筒23已經(jīng)鉆到分別在未壓實(shí)和壓實(shí)地層中的一對(duì)生產(chǎn)區(qū)25，27中。鋼管狀套管9在筒23內(nèi)用水泥膠合。為了提供從生產(chǎn)區(qū)
25,27進(jìn)入最終在套管9和將在完井中存在的生廣管(未不出)之間形成的環(huán)狀體中的流動(dòng)路徑，需要穿孔套管9。為了在套管9中形成穿孔，槍11在鋼絲繩、滑線或盤(pán)管13上適當(dāng)?shù)亟档偷教坠苤?。?1是鋼的大致中空管，包括端口 15，本發(fā)明的穿孔器射孔彈(未示出)通過(guò)該端口 15點(diǎn)火。
示例
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以使用類(lèi)似初始密度和沖擊載荷條件來(lái)比較以下樣本的反應(yīng)性能:
NiAl成分，包括1:1摩爾比的球形Ni顆粒和球形Al顆粒，各具有尺寸7-15微米。
NiAl成分，包括1:1摩爾比的片狀Ni顆粒(44微米X0.37微米，縱橫比119:1)和球形Al顆粒(5-15微米)。
所有測(cè)試樣本的TMD是大約60 %。
參考圖3，炸藥砧臺(tái)系統(tǒng)30用于測(cè)試樣本，系統(tǒng)包括鋼砧臺(tái)31、鋼蓋板32、SX2炸藥33和RP80引爆器34。要測(cè)試的樣本放置在砧臺(tái)31的凹部35中。
使用6 mm厚的SX2進(jìn)行初始測(cè)試。技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，閾值取決于沖擊載荷的類(lèi)型，因而關(guān)于砧臺(tái)測(cè)試引用的載荷不必與聚能射孔彈的載荷相等。
樣本經(jīng)受沖擊且恢復(fù)以便分析。已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的Ni片/Al球樣本經(jīng)受接近100%反應(yīng)以形成金屬間化合物。X射線衍射(XRD)分析確認(rèn)，主要反應(yīng)產(chǎn)物是NiAl和Ni2Al3,具有微量的Ni5Al3和Ni3Al (參見(jiàn)圖4)。
相比而言，球形Ni/球形Al樣本的大約5%反應(yīng)以形成金屬間化合物。測(cè)試使用9 mm厚的SX2重復(fù)。已發(fā)現(xiàn)，增加炸藥載荷將反應(yīng)程度增加大約10%。
可以得出，在相同載荷條件下，包括球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒的反應(yīng)性成分產(chǎn)生更多能量。相反，期望能量輸出可以在較低引爆閾值下獲得。由此得出結(jié)論，根據(jù)本發(fā)明的聚能射孔彈襯里提供類(lèi)似益處。特別是對(duì)于小射孔彈，根據(jù)本發(fā)明的襯里可以用于最大化高溫度的聚能射孔彈噴流的容積，從而確保更多熱能功進(jìn)入目標(biāo)。
將理解的是，本發(fā)明在上文僅僅通過(guò)示例的方式描述，且可以在本發(fā)明范圍內(nèi)作出細(xì)節(jié)的變型。說(shuō)明書(shū)和(在合適時(shí))權(quán)利要求
和附圖中公開(kāi)的每個(gè)特征可以獨(dú)立地或者以任何合適組合提供。
權(quán)利要求
1.一種反應(yīng)性石油和天然氣井聚能射孔彈穿孔器襯里，包括至少兩種金屬的反應(yīng)性成分，其中，所述襯里是包括球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒的壓制顆粒成分。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的襯里，其中，所述至少兩種金屬被選擇，使得其在聚能射孔彈襯里激活后產(chǎn)生電子化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的襯里，其中，所述電子化合物是具有3/2電子-原子比的Hume-Rothery 化合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1至3中任一項(xiàng)所述的襯里，其中，所述至少兩種金屬中更具延展性的金屬選擇為球形顆粒。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求
所述的襯里，其中，球形金屬顆粒是鋁。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求
所述的襯里，其中，非球形顆粒選自周期表類(lèi)別中的族ν ΙΙΑ,ν ΙΑ 和 IIB0
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求
所述的襯里，其中，非球形顆粒選自Ce、Fe、Co、L1、Mg、Mo、N1、Nb、Pb、Pd、Ta、T1、Zn 或 Zr。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求
所述的襯里，其中，非球形顆粒選自片狀、桿形或橢球形顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的襯里，其中，非球形顆粒具有大于2:1的縱橫比。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的襯里，其中，所述至少一種金屬具有10:1至200:1的范圍內(nèi)的縱橫比。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求
所述的襯里，其中，襯里還包括至少一種其它金屬顆粒，其與所述至少兩種金屬是基本上惰性的，且所述其它金屬以大于襯里的10% w/w的量存在。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的襯里，其中，所述至少一種其它金屬以襯里的40%至95%w/w的范圍存在。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11或權(quán)利要求
12所述的襯里，其中，所述至少一種其它金屬選自銅、鎢、其混合物、或其合金。
14.根據(jù)前述任一權(quán)利要求
所述的襯里，其中，非球形顆粒具有小于300微米的平均最長(zhǎng)尺寸。
15.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的襯里，其中，非球形顆粒具有2-50微米范圍內(nèi)的平均最長(zhǎng)尺寸。
16.根據(jù)前述任一權(quán)利要求
所述的襯里，其中，球形顆粒具有50微米或更小的平均直徑。
17.根據(jù)前述任一權(quán)利要求
所述的襯里，其中，所述至少兩種金屬和至少一個(gè)其它金屬一致地分散以形成混合物。
18.一種石油和天然氣井聚能射孔彈穿孔器，包括根據(jù)前述任一權(quán)利要求
所述的襯里。
19.一種穿孔槍?zhuān)ǜ鶕?jù)權(quán)利要求
18所述的一個(gè)或多個(gè)穿孔器。
20.壓制顆粒反應(yīng)性成分在石油和天然氣井聚能射孔彈穿孔器襯里中的用途，所述反應(yīng)性成分是至少兩種金屬的成分，且包括大致球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒。
21.使用根據(jù)權(quán)利要求
1至17中任一項(xiàng)所述的一個(gè)或多個(gè)聚能射孔彈襯里來(lái)完成石油或天然氣井的方法。
22.使用根據(jù)權(quán)利要求
18所述的一個(gè)或多個(gè)聚能射孔彈穿孔器來(lái)完成石油或天然氣井的方法。
23.使用根據(jù)權(quán)利要求
19所述的一個(gè)或多個(gè)穿孔槍來(lái)完成石油或天然氣井的方法。
24.根據(jù)權(quán)利要求
21至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，至少兩個(gè)穿孔器對(duì)齊，使得切割噴流將會(huì)聚、相交或碰撞。
25.—種生產(chǎn)反應(yīng)性聚能射孔彈襯里的方法，所述方法包括步驟:提供至少兩種金屬的成分以及壓制所述成分以形成襯里，其中，所述成分包括球形金屬顆粒和非球形金屬顆粒。
26.在說(shuō)明書(shū)或 附圖中基本上如上文限定的任何產(chǎn)品、用途、方法或設(shè)備。
27.參考附圖在前文描述的任何新穎特征或特征組合。
專(zhuān)利摘要
提供在引爆后能夠提供放熱反應(yīng)的石油和天然氣井聚能射孔彈穿孔器，包括殼體(2)、高性能炸藥(3)和反應(yīng)性襯里(6)，其中，高性能炸藥位于反應(yīng)性襯里和殼體之間。反應(yīng)性襯里(6)由在切割噴流形成期間能夠支持放熱反應(yīng)的反應(yīng)性成分制成。所述成分是包括至少兩種金屬的擠壓即壓制顆粒成分，其中，一種金屬作為球形顆粒存在，另一種金屬作為非球形顆粒存在。還可以存在不能與反應(yīng)性成分放熱反應(yīng)的至少一種其它金屬，以大于襯里的10％w/w的量存在。為了有助于壓實(shí)，還可以添加粘合劑。
文檔編號(hào)F42B1/032GKCN103119392SQ201180037193
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年7月26日
發(fā)明者P.D.丘奇, R.P.克拉里奇, P.J.古爾德, R.G.湯斯利 申請(qǐng)人:秦內(nèi)蒂克有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan