专利名称：进入地下地层的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种进入现有的地下地层(subterranean formation)的方法和设备；特别是涉及用于驱动射弹(projectile)通过现有的地下地层的方法和设备，以增加煤、石油和其他固体、气体或液体物质的生产。
背景技术：
在从地下地层发现石油、天然气或液体物质中，形成进入地下或超过该多产地层的井孔。一旦地下地层用常规的方法钻井之后，经常需要激励(stimulate)或增强生产。在过去，通在压力下常将流体泵送到井中并泵送到地层中，以引起地层中的液压性断裂，或通过用化学物质酸化该井地层以处理或激励该地层。传统的断裂或化学物质处理与开孔和套管孔的完井(completion)的组合具有许多缺陷。这些处理能够实际引起地层密封。还有，低渗透性和低气孔率介质很难用这种处理打开。最后，涉及水平钻孔应用的方法特别困难，经常不成功并且价格非常昂贵。
就大大增加生产率和克服常规方法中的许多问题和缺点来说，需要有用于恢复或激励井孔或洞穴井方法和设备从而显著提高生产率的方法和设备，这样的需要还没有被满足。具体说，提出一种新颖的射弹设备，其能够进入地下地层并且在开孔中定向和旋转射弹以将射弹部件发射到该地层中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种新颖的改进的井激励方法和设备，其能够驱动射弹进入地下地层，而不会由化学变化引起地层损坏或不会在井孔中留下剩余颗粒物。
本发明的另一个目的是提供一种新颖的改进的井激励方法和设备，其不需要以昂贵的代价从井孔中抽取处理物质，并提供可重复使用的设备。
本发明的又一个目的是提供一种用于地下地层激励的新颖的改进的方法和设备，其具有用于定向该设备的旋转装置。
本发明的再一个目的是提供一种用于地下地层激励的新颖的改进的方法和设备，其适合用于竖直的和水平的或定向的钻井。
本发明的又另一个目的是提供一种井激励方法和设备，其在使用中容易安装，不昂贵，紧凑，高效和可靠。
根据本发明，已经发明了一种用于进入开孔地下地层的工具，该工具包括具有至少一个细长的射弹部件和在该射弹后面的炸药的进入装置，用于推进该射弹部件通过该地层并使该射弹部件在该开孔中定向的引导装置，以及用于引爆该炸药从而将该射弹部件发射到该地层中的装置。
根据本发明的方法包括如下步骤，将细长射弹发射到地下地层中，将该射弹安装在管中，将炸药设置在该管内的射弹的后面，推进包括该细长射弹和炸药的该管通过井孔并进入在该井孔末端的增大的洞中，将该管以选定的点火角度定向在该洞内，引爆该炸药以将该射弹从该管发射到该地层中。
已经广义地提出本发明比较重要的特征，以便能够更好地理解在下面对其进行的详细描述，并且以便能够更好地理解本发明对本领域做出的贡献。当然，还有，在其后描述的本发明的附加特征将构成从属权利要求的主题。在这方面，在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明不限于应用于在下面描述中提出的结构的细节和部部件的设置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式进行实施。而且，还应当理解，这里所用的用语和术语是为了说明的目的，不应当认为是一种限制。因此，本领域的技术人员将会理解，本发明所基于的构思很容易用作设计用于实现本发明许多目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求被理解为在不脱离本发明精神实质和范围的情况下包括这种等同物结构。
图1是悬挂于金属线的工具的优选形式的侧视图；图2是图1所示本发明形式的立面图的另一个侧视图，该工具被者开在其点火位置；图3是图1和图2所示工具在其展开位置的放大的侧视图；图4是图1所示本发明形式的顶视平面图；图5是图1所示本发明形式的示意侧视图；图6是图1所示本发明形式在其悬挂、展开和点火位置的示意图；图7是根据本发明的工具另一种形式的立面图的侧视图；图8是图7所示的本发明形式的立面图的侧视图，该工具被展开成其点火位置；图9是图7和图8所示工具的放大侧视图；图10是图7所示的本发明形式的几分示意侧视图；图11是图7所示本发明形式在其悬挂、展开和点火位置的示意图；图12是图7所示本发明形式用于定向钻井的在其悬挂、展开和点火位置的另一个示意图。
具体实施例方式
详细参考图1至图6，图1至图6示出工具的一种形式，其具有一对细长的射弹部件11，该射弹11每个具有子弹或固态细长体的形式，即具有尖的端部12和相对的方的后端13，该细长体优选由诸如钢的高密度金属制成。该射弹部件用一组剪切销45和一组螺钉(未示出)以可释放的方式固定在射弹管14内。该射弹管14具有其相互面对但是由该射弹部件11之间的炸药15分隔开的后端13。炸药15包含在炸药管17中。该炸药管17螺纹连接于射弹管14，如图3的18所示。可选地，可以用包含炸药15和射弹11的单一的连续长度管。炸药管17在其中间具有未示出的孔，在那里点火器19与炸药15接触。该点火器19被密封以防水，并且连接于点火索21，该点火索从点火器19延伸并沿着该炸药管17的侧面并沿着该射弹管14之一的侧面延伸。
炸药管17由一个中心枢轴销28以及在该支架板的底部和顶部的合适的紧固部件30连接于互补的细长的支架板27之间，该互补的支架板位于该炸药管17的相对两侧。该支架板27用半圆形管止动部件33和34焊接在一起，下管止动部件34位于刚好在该枢轴销28之上，而上管止动部件33位于靠近该支架板27的顶部。该支架板27的顶部还具有一个或多个圆形内部导向板35，一对导向板35在图1和图2中被示作相互竖直地间隔开。管止动部件33和34允许该炸药管17和该射弹管14沿着大致的发射位置从平行于该支架板27延伸的位置到垂直于该支架板的位置枢转或旋转，并且不超过该位置；上管止动部件33允许管17和14返回到平行于该支架板的位置，但是不超过该位置，为了从井孔中提取或取出。
螺纹连接于该射弹管14的炸药管17具有连接于该射弹管14上部上的螺栓20的第一旋转线23。该第一旋转线23然后绕导向螺栓37或在该导向螺栓37之间通过，该导向螺栓37绕该圆形内部板35的圆周间隔，后者用螺栓连接于该支架板27，并且该支架板27有助于形成该井孔B中的设备9的中心并且往回引导该设备9通过该套管C，为了取出。
第二旋转线25连接于该射弹管14上部上的螺栓24。该第二旋转线25穿过内板25的引导螺栓37交织。该引导螺栓37有助于将该第一个第二旋转线23和25保持在适当位置并防止缠结。
该第一旋转线23和第二旋转线25通过该支撑支架板35的顶部螺栓连接于主金属线43，用于将该设备9提供给井孔B和从井孔B取出。正如在图4中清楚地所见，该第一和第二旋转线23和25保持在该设备的外面，并且点火线21沿着该射弹管16的外表面延伸。下管止动部件34使设备9能够沿着一般的发射方向旋转到垂直于该支架板27的位置，如图2和图3所示，并且不超过该位置。该上止动部件33使该设备9能够往回移动到平行于该支架板27的位置，如图1所示，并且不超过该位置，为了从井孔取出。
在如图5和图6所示的本发明的方法中，设备9包括包含炸药15的炸药管17和包含在射弹管14内的双发射体部件11，该设备悬挂于主金属线43。该工具9由主金属线43下降到该井孔B中，图6A，到超过在开孔或洞H内的带套管的下端的位置，该开孔或洞H的直径等于或大于该炸药管17与该射弹管14组合的长度。根据射弹穿进介质的牛顿理论，该射弹的进入深度与其长度成比例。射弹物质的密度和该射弹通过的介质的密度实际上是可变的，例如12英寸长并且重量为大约3.4磅的1平方英寸(″)钢棒射弹，其密度为每立方英寸0.28333磅，经转换为，每立方厘米钢为7.843克。假定煤的密度为每立方厘米0.322克。每立方厘米7.8克除以每立方厘米0.322克等于24.3319，作为乘数。16英寸长的钢射弹被24乘等于32英尺，在这种介质中，即煤中，每立方厘米7.842克密度的16英寸长的钢射弹可望前进约32英尺。根据牛顿理论，倘若速度足够高，穿进长度不取决于射弹的初始速度。
一旦设备9下降到该井孔B中，然后炸药管17和射弹管14旋转成所希望的点火角度，大致在垂直于井孔的位置，如图6B所示。该下止动部件34使该设备9能够旋转到垂直于该支架板的位置并防止该设备9延伸超过垂直于该板27。该旋转是通过拉动连接于该射弹管14的旋转线25产生的。该点火线21或者是连续的或者埋在该第一金属线中。然后该点火线21在地面被充电，电荷向下通过该点火线21到点火器19，点火器19使炸药15点火。炸药的发射(explosive discharge)使剪切销45被剪断，导致射弹部件11被快速抛出。该射弹11离开该射弹管14并前进前述的距离，进入该地层中。这在图5和图6C中表明。
然后拉动连接于该射弹管14的该第一旋转线23以将该设备9往回旋转到平行于该支架板27的位置，图6A。该上管止动部件33防止该设备9延伸通过该支架板27。然后拉动该主金属线43以从井孔收回该设备9和该支架板27。如果需要的话，可以连接于该支架板27的下部，该支架板的下部包括柱塞或导向器(未示出)，其使该支架板27能够被引导到图1中用R表示的“老鼠洞”，这为支架板27提供进一步的稳定性。
图7至图12示出本发明的另一种优选实施例，其中优选为刚性的大管51将射弹设备或工具53传输到井孔中，用于提供或取出。如图7和图8所示的管组件包括大管51，其上部连接于连接套55。该连接套55然后连接于变窄的型钢(swage)57，该型钢57又连接于第二连接套59，该第二连接套59又连接于小管61。大管51的下端通过螺栓67连接于互补的支架板63。图9所示的齿轮液压马达69也连接于该支架板63，用于在井孔中旋转该设备53。主动齿轮链条73绕上齿轮71和下双齿轮72旋转并且由齿轮液压马达69驱动。一个分离的旋转齿轮链条77围绕由两个齿轮组成的下双齿轮72。旋转齿轮链条77的一端通过位于内部板66上的齿轮螺栓76交织(woven)，延伸到与端部螺栓81相连，该端部螺栓81连接于射弹管54。参考图8，设备53具有一对细长的射弹部件58，其具有子弹的形式，即具有尖的端部56和相对的方形的后端60，主体优选由高密度金属构成，例如钢。该射弹部件58用剪切销89以可释放的方式固定在一对射弹管内，该剪切销将该射弹部件58连接于射弹管54，其连接方式与第一优选实施例中在先提出的相同。旋转齿轮链条77的相对端68也通过内部板66缠绕并连接于松紧弹簧75，该弹簧又通过端部螺栓用螺栓连接于该射弹管54。上管止动部件78连接于支架板63，使得该设备53能够往回移动到平行于该支架板63的位置，但是不超过该位置，用于从井孔取出。下管止动部件80以同样的方式作用，以使在井口中的该设备53能够旋转到垂直于该支架板6的位置，但是不超过该位置。见图8。
该支架板63可以在远端70具有一个延伸部分74，用于在“老鼠洞”R中移动，以便在旋转时稳定该设备。该延伸部分74具有型钢84，其使直径变小以便该连接套76可以防止在该型钢84的端部上。形成中心的管塞头(bull plug nose)83防止设置在连接套76的末端上，该连接套76然后安置在“老鼠洞”R中以提供稳定性。该管塞头83是圆形的以便能够容易放置在该老鼠洞中。
在图10、图11和图12所示的方法中，该设备53包括炸药管62以及包含在该射弹管54中的双射弹部件58，该设备53悬挂于该大管51，在向下降低该设备通过该套管C进入该增大的洞或开孔H到该套管C的下面并形成一个未示出的连续的井孔的过程中，该大管51用作该设备53的传输和悬挂装置。该设备53在平行于该互补的支架板63的位置中下降，该互补的支架板63用螺栓连接于该大管51。见图11A。该大管51可以具有一段附加的管部分，以加长该射弹设备53进入开孔中的运输方式。这也使使用者能够将该设备沿图12A所示的垂直方向和水平方向推进。
一旦设备53下降到开孔中，在远端具有管塞83的支架板63被定位在老鼠洞R中以提供经一步的稳定性。该射弹设备53然后旋转到所希望点火角度，这是通过齿轮马达69的驱动实现的，该齿轮马达又使主动齿轮链条73绕齿轮71和72旋转，该旋转然后引起齿轮72的旋转，结果导致旋转齿轮链条77变长并且弹簧75变松以及相对的链条段68变短。见图11B。点火线85在地面充电，电荷通过该点火线85向下传输，通过大管51的该点火线85与旋转齿轮链条77相互缠绕，沿着该射弹管54的侧面通过，并连接于位于该炸药管62中心的点火器。一旦电荷沿着点火线85向下传输到点火器87，这引起炸药点火。该炸药的发射使剪切销89以该射弹部件58被快速抛出的形式被剪。射弹58离开该射弹管54并前进前述的距离，进入该地层中。见图10、图11C和图12D。
随着该射弹部件58的发射，然后定向与该射弹管54保持螺纹连接的该炸药管62，使它平行于该支架板63，如图7所示。这是通过主动齿轮链条73的旋转完成的，该链条73又引起齿轮72的旋转，齿轮72的旋转使相对的齿轮链条68变长，结果导致旋转齿轮链条77变短，因此拉动该射弹管54到平行于该支架板63的位置。该上管止动部件78防止设备53延伸通过该支架板63。然后大管51被拉动，以从该井孔收回该设备53和该支架板63。
该优选实施例和另一个优选实施例描述双射弹，其中，该射弹以端对端的关系安装，并且该炸药设置在它们之间以便吸收任何反作用力。在该另外的实施例中，可以用单个的射弹，炸药连接在一端，而另一端具有柱塞或止动部件，使得一旦引爆后，该射弹部件接受整个爆炸载荷并沿单一方向前进。
因此，应当理解，虽然这里提出并描述了本发明的优选形式，但是在不脱离由权利要求及其等同物所限定的本发明精神实质和范围的情况下可以进行上述其他修改和变化。
权利要求
1.一种用于进入地下地层中的开孔(H)中的设备(9，53)，包括包括至少一个细长射弹部件和在所述射弹部件之间的炸药的射弹装置(11，14，54，58)；用于将所述射弹部件在所述开孔中定向在预定方向引导装置(23，25，27，28，35，37，43，51，63，66，67，68，71，72，73，75，77)；用于引爆所述炸药从而将所述射弹部件发射到所述地层的装置(19，21，85，87)。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述射弹部件包括细长的高密度金属杆。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述引导装置包括支撑所述射弹部件的承载部件(22，63)。
4.如权利要求1所述的设备，其中一对所述射弹部件处于端对端的关系并且所述炸药在两者之间。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述引爆装置包括点火装置和通向井表面的点火线(21，85)，用于从所述地面引爆炸药。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述引导装置包括用于将所述射弹部件枢转到所希望的点火角度的装置(28)。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述引导装置包括支撑部件(43，51)，用于从所述开孔降低和升高所述设备。
8.如权利要求5所述的设备，其中所述炸药和所述点火装置密封在水密的小室内。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述支撑部件具有止动装置(33，34，78，80)，从而引导所述支撑装置在所述开孔中的定位。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述炸药和所述射弹装置的长度等于和稍小于所述开孔的直径。
11.如权利要求3所述的设备，其中所述引导装置包括由至少一段管子构成的管状部分(51)，所述管状部分的下端固定于所述承载部件。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述射弹装置包括第一管(14，54)，所述爆炸装置包括包含炸药并且螺纹连接于所述第一管的第二管(17，62)。
13.一种用于穿透与井孔连通的扩大的洞周围的地下地层的设备(53)，包括射弹装置(54，58)，其包括至少一个细长射弹部件的；爆炸装置，其包括安装在每个所述射弹部件后面的炸药(64)；引导装置(51，63，66，67，68，71，72，73，75，77)，用于推进所述射弹装置和所述爆炸装置通过所述井孔，其包括用于将所述射弹部件在所述洞中定向在选定的点火方向的装置；用于引爆所述炸药从而将所述射弹部件发射到所述地层的装置(85，87)。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述引爆装置包括通向井表面的点火线(85)，用于从所述地面引爆所述炸药。
15.如权利要求13所述的设备，其中所述引导装置包括用于将所述射弹装置和所述爆炸装置旋转到所希望的点火角度的装置。
16.如权利要求13所述的设备，其中所述射弹部件包括支撑所述射弹装置和所述爆炸装置的承载部件。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述承载部件包括稳定装置(74，76，83，84)。
18.如权利要求13所述的设备，其中一对所述射弹部件相互以端对端的关系安装，并且所述炸药安装在所述一对所述射弹部件相邻的端部之间。
19.一种将细长的射弹发射到地下地层中的方法，包括如下步骤将该射弹安装在管中；将炸药在所述管内设置在射弹的后面；推进包含所述射弹和炸药的所述管通过井孔并进入在所述井孔末端的增大的洞中；将所述管以选定的点火角度定向在该洞内；以及引爆该炸药以将所述射弹从所述管发射到所述该地层中。
20.如权利要求19所述的设备，包括如下步骤相对于所述井孔定向所述管和所述射弹，用于纵向地推进通过所述井孔；以及在所述洞内将所述管和所述射弹枢转到选定的点火角度。
21.如权利要求20所述的设备，包括将所述管和所述射弹安装在用于通过所述井孔推进的承载部件上的步骤。
22.如权利要求19所述的设备，还包括井所述射弹装置和所述炸药部件枢转到平行于所述承载部件的位置，用于收回所述射弹装置和所述爆炸装置的步骤。
23.如权利要求19所述的设备，还包括在所述开孔中沿着水平面引导所述射弹装置和所述爆炸装置的步骤。
全文摘要
为了激励多产地层，用于将至少一个炸药驱动的射弹(11，58)驱动到地下地层的开孔(H)或井孔(B)中的方法和设备(9，53)。为了以所希望的角度点火，该设备能够在该开孔或井孔中枢转，并且能够深深进入到地下地层中。该设备在水平钻井应用中也能够用管子(51)传输。
文档编号E21B43/118GK1798902SQ200480015324
公开日2006年7月5日 申请日期2004年4月29日 优先权日2003年5月2日
发明者阿兰·L·纳克鲁德 申请人:阿兰·L·纳克鲁德