电子延时装置和方法与流程
相关申请信息
本申请要求于2017年6月1日提交的美国序列号62/513,909的优先权，并且通过引用将其并入。
背景技术：
1、技术领域
本技术通常涉及井下井眼工具，更具体地，涉及配置为在触发事件和执行井下工作(例如，打开阀或发射射孔枪)之间产生预定的延时的低功耗电子电路和相关联的机械元件。
2、相关技术
在可以通过压力控制井下作业的石油和天然气开采应用中，有时需要在一系列压力触发事件中有延时，以便能够在进行下一个事件之前在每个压力下测试井下系统。现有技术的系统利用具有复杂的微观通道系统的流体限制器，其将流体计量作为延时机制。例如，在枪串组件中的串联内，引爆索之间可能会有转移，以引爆菊花链式枪串中的下一枪。引爆可以通过用于部署枪串组件的线缆或通过压力启动或通过电子装置启动。在油管输送射孔(tcp)中，由于没有电导体，压力启动的敲击启动用于引爆。在tcp中，油管压力会增加到预设压力，在此压力下，撞头会启动撞针，这会启动敲击起爆器，进而引起爆炸。例如，有时需要将撞针的发射延迟预定时间，以便能够进行测试，或者可以在之前的枪上检测到起火状况。
在串联系统中，存在穿过枪的单个引爆索。不存在压力屏障。然而，在选择射击系统(sfs)中，在每把枪之间存在压力隔离开关。雷管为每个开关供电。每把枪都通过自己的引爆导火线有选择地发射。因此，例如，当最低的射孔枪射孔时，压力进入枪。当第一把枪启动时，在第一把枪的开关中的压力移向下一个位置时，设置第二雷管，由此启动撞针以启动下一把枪中的引爆。下游的所有枪都通过压力屏障与下一把枪隔离。
将压力响应打开设备安装在水平井眼内的套管柱的底部(或“脚趾部”)和某些垂直孔内已成为普遍的作法。这些设备构成并作为套管柱的完整的部分运行。在使套管粘结并固化之后，施加的表面压力与静水压力结合以打开压力响应阀。静水压力和施加压力的结合通常用于克服许多剪切销或克服精密破裂盘。一旦与井眼连通(即，井套管外部的区域)，即可对井进行水力破裂，或将阀用作注入端口，向下泵送附加的线缆射孔枪、塞子或其它输送装置，例如，井下牵引器。与固井和套管井建立连通的其它已知方法包括油管输送射孔枪或盘管输送射孔器。这些都是实现注射点的常用方法，但是需要更多的时间和金钱。
技术实现要素：
示例性实施例提供了一种在井筒套管中与井下工具一起使用的延时装置，示例性装置包括具有计时器的电子电路，计时器具有预设时间。电子电路与触发器可操作地通信，触发器设置为启动计时器以开始预设时间的计数递减。保险丝与计时器以及井下工具的触发器通信，并且设置为一旦预设时间到期，则开始劣化。井下工具的启动器设置为在保险丝劣化时启动。
在示例性实施例中，保险丝配置为在预定时间间隔内燃烧(劣化)。
在示例性实施例中，井下工具是滑阀。滑阀可以包括通过滑阀保持在约束位置的中心销组件，并且弹簧元件围绕滑阀。根据示例性实施例，一旦计时器的预定时间到期，电子电路自动生成信号以开始使保险丝劣化。在保险丝劣化时，井下工具的滑阀释放约束的弹簧元件，使得中心销从之前的“约束位置”移动到“工作位置”，并且由此打开阀。
在示例性实施例中，用来启动计时器的触发器设置为受环境启动。在非限制性示例中，环境启动的触发器是压力启动的。在另一示例性实施例中，触发器是通过有线或远程的方式电气或电子启动的。
另一示例性实施例提供了一种用于在井筒套管中与井下工具一起使用的延时装置，该延时装置包括具有计时器的电子电路和配置为启动计时器的触发器，所述计时器具有预设时间。此外，该装置具有井下工具启动器，该井下工具启动器配置为当计时器的预设时间到期时，从约束位置切换到工作位置以由此启动井下工具工作。
附图说明
为了易于理解在下文中更详细地描述的示例性实施例，可以参考所附的示意性、非按比例绘制的附图，其中：
图1示出了安装在井下工具中的延时装置的示例性实施例，在此以滑阀为例。
图2示出图1的放大部分的横截面，即具有电子电路、保险丝和分流滑阀的延时装置。
图3以横截面的形式示出具有两个延时装置的电子脚趾阀井下工具的示例性实施例。
图3a示出图3的放大部分。
图4以横截面的形式示出具有延时装置的两个可替代示例性实施例的电子脚趾阀的示例性实施例。
图4a示出图4的放大部分。
图5示出延时装置的示例性实施例的部分的简化框图。
图6示出延时装置中电子电路的时序图的示例性实施例。
具体实施方式
本技术提供了改进的装置(和相关方法)，其在石油和天然气作业中为启动井下工具提供了延时。井下工具可以是在一段时间之后要启动的各种工具中的任何一种。位于井下的工具最初处于“约束位置”，然后启动到“功能位置”。根据本技术的延时装置，启动在触发事件发生的一段时间之后进行。因此，根据本技术，可以在一定延时下启动的井下工具的非限制性示例包括但不限于：电子脚趾阀、滑动套筒阀、射孔枪以及类似的井下工具，其中延时可能有用。
延时装置的示例性实施例可以立即但以受控的方式启动井下工具。延时装置的示例性实施例还能够启动多个井下工具。例如，在基于破裂盘的驱动压力的变化必须向地层打开多个工具情况中。然而，如果泵压力由于某种原因不能到达所有工具以触发这些工具，本延时装置允许在彼此指定的时间间隔内启动这些工具。此外，如果由于某种原因，最初的井下工具启动失败，该技术提供了冗余，使得备用延时装置的启动设备能够启动井下工具。
示例性实施例还提供了可重复和可复现的延时。本发明的实施例的示例可以各自提供一个或更多个优点，例如，可预测的延时，与井眼条件无关的成本有效的延时解决方案，具有延迟机构的油管输送射孔枪，该延迟机构提供了将油管加压至第二预定级别与射孔枪实际射击之间的已知的延迟间隔，在预定时间间隔之后将撞针保持件从与撞针的锁定啮合中移出以释放撞针的机构。示例性实施例是低功率电子延时工具，其相对便宜并且在井下温度可靠地运行。此外，根据示例性实施例的延时工具适合于在有或没有线缆的情况下进行缆线输送，盘管输送，套管输送或泵送。
对于与本延时装置连接的井下工具，滑阀允许流体从一个或更多个源流入不同路径。这些阀通常在汽缸内部具有机械受控或电气受控的滑阀。滑阀的移动约束或允许经过端口的流动，并因此控制流体流动。方向控制阀有两个基本位置，即，一个是在启动力解除时，阀返回的“正常位置”；另一个是在施加启动力时，阀处于的“工作位置”。滑阀不具有内置的带有预定延迟以从正常位置切换到工作位置的控制机构。
如图1所示，用于在井筒套管104中使用的井下工具105，例如滑动阀，包括示例性延时装置108。延时装置可以具有电子电路101、具有破裂盘106的分流滑阀和保险丝组件以及例如干电池102的可携带电源。延时装置108可以加工到井下工具105的心轴中或以一些其它方便的方式安装。井下工具105可以作为套管的一部分包括在套管柱中，并且根据需要定位在井眼中。或者，可以使用tcp、ct或缆线将井下工具布置到所需位置。井眼可以粘结或不粘结。
图2示出具有延时装置的示例性井下工具(滑动阀的部分200)。该图示出包括电子电路(具有计时器)201、电连接到电子电路201的保险丝202、分流滑阀设备205以及围绕滑阀的弹簧204。(图2既没有示出到电子电路201的电池或电源，也没有示出保险丝到电子电路的电连接。)分流滑阀设备205具有由滑阀保持在约束位置的中心销组件210，以及围绕滑阀的弹簧204。施加到压力开关(未示出，但是在图4中可见)或环境传感器的压力启动电子电路201中的计时器。在将工具放下井之前由操作员在计时器中设定的预定延时之后，电子电路的计时器块生成信号以启动燃烧保险丝202。机械约束弹簧204的保险丝破裂，因此中断保险丝202和弹簧204之间的约束连接209。结果，中心销210与柱塞207一起向上移动，导致破裂盘212的破裂盘膜203向上偏离并破裂，从而打开滑动阀口206以允许流体流动。当然，在另一实施例中，破裂盘的破裂能够用于启动井下工具中的完全不同的活动。
通常，使用配备有延时装置的井下工具的步骤是简单的。井下工具布置在井下，其安装有延时装置，该装置或者已经预配置了需要的延时，或者配置为在布置之后对延时编程。已布置并合理配置的延时装置可以由开关(或通过另一个启动程序)压力启动，该开关自动地指示电子装置以启动计时器计数递减。当计数递减完成时，电子装置自动启动保险丝劣化或烧穿保险丝。当保险丝在物理上充分弱化时，在金属丝的情况下，其释放分流滑阀的约束弹簧，使得分流滑阀的中心销从之前的约束位置移动到工作位置。中心销的移动触发破裂盘的破裂，由此启动井下工具，例如，打开脚趾阀端口、射孔枪发射等。
示例性电保险丝可以是一种由较短长度的线构成的电保险丝，通常比被保护的线小四个美国线规尺寸。例如，awg16保险丝可以用于保护awg12接线。电保险丝常见于高电流电动车应用中。可以将电保险丝中的线包裹在高温耐火绝缘体中，以减少线熔化时的危险。
环境传感器可以是压力开关，该压力开关在其输入上达到设定的流体压力时闭合电触点。开关可以设计为在压力增加或压力减少时形成电接触。
通常，用于感测流体压力的压力开关包括随施加的压力成比例地变形或移位的胶囊、波纹管、波登管、隔膜或活塞元件。直接地或通过放大杠杆将引起的移动施加到一组开关触点。由于压力可能缓慢变化而需要快速操作触点，可以使用偏心类型的机构，例如微型快动开关来确保快速操作触点。灵敏压力开关的非限制性示例使用安装在波登管上的汞开关，其中汞的转移重量提供有用的偏心特性。
压力开关可以通过移动触点或调节平衡弹簧中的张力来调节。工业压力开关可以具有校准的刻度和指针，以显示开关的设定点。压力开关围绕其设定点将会有不同范围，在该范围中小的压力改变不会改变接触点的状态。一些类型允许差异的调节。压力开关的压力感测元件可以布置为响应两个压力之间的差异。开关必须设计为仅对差异做出响应，而不对普通压力模式下的变化(波动)的误操作做出响应。
分流滑阀装置的非限制性示例可以像在航空和军事应用中使用的那些分流滑阀设备一样来保持端口关闭、部件就位或闩封闭等。通常，在这些类型的装置中，中心销可以通过滑阀保持在适当位置，该滑阀纵向地分成两半并围绕中心销定位。弹簧可以缠绕销从而使总直径更大。弹簧可以由诸如
图3以横截面的形式示出具有两个延时装置的电子脚趾阀300井下工具的示例性实施例，并且图3a示出延时装置的放大图。为了简单起见，将仅根据半球中的一个来解释对称图，应理解在这种情况下，另一个半球是相同的。尽管可能使用两种不同类型的实施例，在该实施例中的两个示例性延时装置是相同的。在图示中，诸如套管的外部套筒302围绕诸如可滑动套筒电子脚趾阀的可滑动套筒的内部套筒304。如图所示，具有不只一个延时装置来提供冗余，以补偿任何特定计时器可能在不利条件下操作失败的风险。此外，如果延时装置要启动两种操作，则可以使用两个计时器。在所示的示例中，电子控制器310包括计时器，并且由电池312供电。保险丝(由于比例，未示出，但在图2中可见)延伸以将弹簧约束在分流滑阀约束设备306中。开启“on”开关314启动计时器计数递减，并且当计数递减完成时，保险丝自动地进行燃烧。当保险丝充分弱化时，分流滑阀设备的中间销被释放，由此导致破裂盘308破裂。这又触发了井下工具的操作，例如，打开阀口。
图4以横截面的形式示出具有两个延时装置的电子脚趾阀300井下工具的可替代示例性实施例，并且图4a示出延时装置的放大图。在此之前，为了简单起见，将仅根据半球中的一个来解释对称图，应理解在这种情况下，另一个半球是相同的。尽管可能使用两种不同类型的实施例，在该示例中的两个示例性延时装置是相同的。在图示中，诸如套管的外部套筒402围绕诸如可滑动套筒电子脚趾阀的可滑动套筒的内部套筒404。在示出的示例中，电子控制器410包括计时器，并且由电池412供电。保险丝(由于比例，未示出，但在图2中可见)延伸以将弹簧约束在分流滑阀约束设备406中。压力开关406启动计时器计数递减，并且当计数递减完成时，保险丝自动燃烧。当保险丝充分弱化时，分流滑阀设备的中间销被释放，由此导致破裂盘408破裂。这又触发井下工具的操作，例如，打开阀口。
应当注意，可以用其它结构代替上述示例的分流滑阀。例如但不限于使用机械/电子结构的设备，例如，由横杆螺线管保持在延伸(约束)位置，并在延时之后移动到无约束位置的销钉，并且因此导致破裂盘破裂。
根据另一示例性实施例，用于在井筒套管中启动井下工具的延时装置可以包括结合到启动器的薄膜。启动器将膜保持在第一(约束)位置，并且当响应于诸如环境信号的信号受到触发时，该启动器在预定延时之后移动到第二(无约束)位置，由此使薄膜破裂。启动器作为分流滑阀组件可以结构不同但却提供相同或相似的功能，或者是机械结构，例如，由横杆螺线管保持的销钉。
环境信号可以是当从表面施加压力时起作用的压力开关。比较静水压力或井眼压力和阈值压力，并且比较结果被用于启用、禁用或复位开关。环境信号还可以是流量传感器，该流量传感器在将井液或向下泵送的流体的流量和阈值流量进行比较，并且将比较结果用于启用、禁用或复位开关时起作用。类似地，环境传感器可以感测流体的化学成分，并且基于感测到的化学参数，可以启用、禁用或复位开关。
如上所述，具有计时器的电子电路可以响应于诸如施加到压力开关上的压力的环境输入来行动。该动作可以是启动计时器。当计时器到期，启动信号燃烧保险丝，使盘破裂并且允许阀打开。在接收到来自压力开关的触发条件前电子电路可以产生“超低功率”。超低功率指的是小于约1毫瓦。环境事件可以是限制电路中的任何开关条件的触发条件。电路可以运行在持续的超低功率状态下，同时监测触发条件。由于井下的功率约束以及电池的受限的电源供电，超低功率电路确保电子电路寿命更长。
压力开关的压力变化可能复位计时器，使计时器计数递减或递增。计数递增、计数递减或复位的机构可以基于施加的压力或压力脉冲。例如，当施加的压力小于阈值压力时，计数可以设置为递减。当施加的压力大于阈值压力，计数可以设置为递减。复位条件可以由施加的压力和阈值压力的比较以及内置的决策协议来触发。复位功能可以用于停止和启动计时器。压力脉冲还可以用于启动压力开关的不同模式。
井下工具可以是滑动阀、脚趾阀或滑阀。延时装置可以与井下工具一起在井套管柱中被输送。根据示例性实施例，井下工具通过缆线工具来部署。根据另一示例性实施例，在没有缆线工具的情况下井下工具被向下泵送到井套管中。
根据另一示例性实施例，延时装置可以用于从井下工具释放限制性塞子元件。根据另一示例性实施例，井下工具通过油管输送射孔(tcp)输送。井下工具可以在预定延时之后起作用，该预定延时在包括诸如上述计时器和控制器的电子部件的延时装置中设定。
图5总体上示出用于与根据示例性实施例的井下工具一起使用的示例性延时装置的部件500。压力开关501可以接收压力输入502和输出诸如向上信号503、向下信号504或复位信号505的电子信号。压力开关501还可以编程为或设置为具有阈值压力(未示出)。当施加的压力小于阈值压力时，向下信号504可以变为高电平或数字1，计数可以设定为向下。当施加的压力大于阈值压力时，向上信号503可以变为高电平或数字1，计数可以设定为向上或增加1。复位信号505还可以由输入压力502和阈值压力的比较来触发。复位功能对于停止和/或启动计时器很重要。压力脉冲还可以用于启动压力开关的不同模式。输入压力502可以是一系列压力脉冲，并且压力开关可以编程为对压力脉冲计数以生成复位信号505。向上信号503、向下信号504和复位信号505可以输入到电子电路506。电子电路506还可以包括控制器514、计时器509和存储器块511。存储器块511可以用计时器值编程，计时器块可以对计时器值进行比较以生成输入到保险丝块507的输出信号608。当确定输入信号508时，保险丝燃烧并且释放弹簧。电子电路可以具有示例性电路中未示出的其它“块”。
控制器514可以将电路506保持在监测状态直到输入信号中的一个被触发或变为高电平(从数字0到数字1)。控制器可以维持具有监测、空闲、计时和活动状态的状态机(未示出)。当处于诸如空闲和检测的某些状态时，状态机可以跟踪电路的状态并将电路保持在低功率状态。至关重要的是，低功率电路在不需要时从电池源吸取少量电量，使得电路的寿命相当长并且坚持到井完工，并且有时坚持到井的生产。根据示例性实施例，电子电路606以超低功率模式处于监测状态。
图6示出电子电路的示例性时序图600。可以随着时间601在x轴上绘制时序图。可以比较阈值压力602和输入压力604，并且可以生成信号605、607以及608。例如，当压力604在时间610超过阈值压力602时，可以确定向上信号705。计时器计数器603可以在每个时钟周期(未示出)或固定的时间段递增。在另一示例中，当压力604在时间620下降到阈值压力602以下时，可以确定向下信号607。计时器计数器603可以在每个时钟周期(未示出)或在固定的时间段保持相同的电平或递减。还可以通过使输入压力产生脉冲并对脉冲数量计数来生成复位信号608。例如，如果脉冲数量是三或者更多，则可以确定复位信号608。复位信号608还可以在逻辑上与外部复位信号结合，使得计时器计数器603可以复位为0。当计时器计数器大于或等于编程的计时器值时，可以确定计时器块的输出信号606。可以将计时器值编程到图5所示的存储器511中。
根据示例性实施例，井下工具是能量设备的撞针，并且当中心销从约束位置移动到工作位置时，撞针被释放。在具有延迟机构的油管输送射孔枪中，将油管加压至第二预定级别与射孔枪实际发射之间的已知的延迟间隔可以通过预定延时来实现。在选择的射击系统中，可以通过预定时间间隔来实现延迟装置，以将撞针保持件从与撞针的锁定啮合中移出以释放撞针。撞针可以接触连接到双向助推器的敲击雷管/起爆器。双向助推器可以接收来自雷管的爆炸输入。反过来，引爆可以由助推器启动。当爆破盘在预定延时之后爆破时，撞针可以被触发，撞针可以接触敲击雷管，然后通过助推器和导爆索启动雷管。
在使用中，可以针对特定情况设定延时。计时器可以以几乎任何有用的精度以及为任何有用的时长配置。因此，根据使用延时装置的示例性方法，预定延时能够设定为从约1小时到48小时。根据另一示例性实施例，延时从约2天到14天。根据最典型的示例性实施例，预定延时从约0.01秒到约1小时。
现有技术的套筒阀的局限性在于，允许流体从套管流到地层(通过装置壁上的开口或端口)的设备的套筒或动力活塞在达到启动压力后立即打开。这限制了在压力下的测试时间，并且在许多情况下使操作员无法达到所需的套管测试压力。示例性实施例通过向阀提供电子延时来克服该限制，以允许延迟的时间段，从而在允许与井眼和地层流体连通之前，在所需压力下以及以处于该压力下的所需持续时间来测试套筒。这可以通过延迟覆盖阀开口的活塞的移动时间来实现，以移动到阀开口未覆盖的另一个位置。
根据示例性实施例，两个或更多个阀可以作为同一套管安装的一部分安装(运行)。通过延时使运行两个或更多个阀的可选配置成为可能，通过对各个阀的电子电路中的每个中的计时器进行编程，该延时允许阀中的每个在不同时间打开。在单个套管中运行两个或更多个阀的特性和选项，增加了无需任何井干预就能够破裂增产井的第一阶段的可能性。通常，由于在第一阀被打开之后不能够施加或增加进一步的驱动压力，因此迄今为止的现有技术不允许在同一井中操作不只一个阀。根据示例性实施例可以使用多个阀，并且每个阀编程为具有响应延时，从而在井操作的所需阶段期间打开。因此，例如，一个(或更多个)阀以5分钟延迟打开；一个(或更多个)以20分钟延迟打开；等等。在另一示例中，设备可以设置为使得操作员可以在五分钟的延迟之后打开一个或更多个阀门(启动滑盖)，在这些阀门打开的位置使该区域破裂，而其它阀门仍处于关闭状态，然后以延时继续打开这些阀，并继续使区域破裂。
在另一示例性实施例中，井下工具是滑阀。当中心销在延时设备中从限制位置移动到工作位置时，滑阀打开端口。
在井下使用延时装置的示例性方法可以包括以下步骤中的至少一些，具体取决于包括所使用的延时装置的具体实施例、井下工具的类型以及操作的环境的因素：
(1)将井下工具与安装在其中的延时装置一起安装在井眼中；
(2)启动触发器设备，例如，环境传感器。这可能需要在压力启动装置上施加压力；
(3)基于启动步骤启动电子电路中的计时器，该计时器预先设置有所需的延时；
(4)在延时段到时之后自动启动燃烧保险丝；
(5)由于保险丝至少部分地燃烧，因此释放来自弹簧(或所使用的等同结构的特征)的张力；
(6)将中心销(或所使用的等同结构的特征)从之前的约束位置移动到工作位置；以及
(7)当到达工作位置时，启动井下工具。例如，使压力启动装置破裂并允许通过电子脚趾阀中的端口进行流体连通，或者触发射孔枪等。
当然，并非每种方法都将包括这些步骤中的每个，并且某些方法可能包括附加步骤。尽管如此，前述步骤示例和指导了本领域技术人员关于本文提出的延时技术的实践。
尽管已经在文本中呈现并描述了本技术的实施例的示例，并且还通过示例的方式示出了一些示例，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所描述的技术进行各种改变和修改，如适当地解释和诠释的那样，本发明的范围仅由所附权利要求书的范围来阐述和限定。
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