用于提高井眼穿孔的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种对地下地层穿孔的设备，所述设备可包括壳体、含能材料、衬垫和酸生成材料。所述壳体可具有开槽端部和开放端部，所述开槽端部构造成接收引爆线。所述含能材料可设置在所述开放端部中并且处于弹道中。所述衬垫可包封所述开放端部。所述衬垫可包括酸生成材料，所述酸生成材料构造成在引爆爆炸性材料时形成酸。
【专利说明】用于提高井眼穿孔的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于对井套管和/或地层穿孔的设备和方法。
【背景技术】
[0002] 烃生产井典型地包括套管柱，所述套管柱定位在贯穿地下油气矿床的井眼内。套 管柱增加井眼的完整性，并且提供用于将流体产出到地表的路径。通常，套管被水泥固定到 井眼，并随后通过引爆聚能射孔弹而进行穿孔。当引爆时，聚能射孔弹产生射流，该射流穿 过套管并形成进入相邻地层中的短距离地道。经常，被穿孔的区域，尤其是地道的壁，可能 由于通过射孔射流施加到地层的应力以及在击发射孔枪的过程中可引起的应力而变得不 可渗透。渗透性的丧失和其他有害的影响（诸如将碎屑引入到穿孔中）可不利地影响烃从 所贯穿的烃矿床的流动。
[0003] 在各方面，本公开提出了对提供更清洁且更有效的井穿孔的穿孔设备和方法的需 求。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种用于对地层进行有效穿孔的设备和方法。
[0005] 在各方面中，本发明提供一种用于对井眼所贯穿的地层射孔的系统。
[0006] 在各方面中，本发明提供一种用于对井眼所贯穿的地层射孔的方法。
[0007] 本公开的特征的上述实例已经得到相当广泛的概括，以使得可以更好地理解如下 它们的详细描述，以及使得可以意识到对现有技术的贡献。当然，存在本发明的将在下文中 描述并且将形成所附的权利要求的主题的附加特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 为了详尽地理解本发明，应当结合附图参考优选实施例的下述详细描述，在附图 中，相同的元件已经被赋予相同的附图标记，其中 ：
[0009] 图1是本公开的装置的一个实施例的示意性剖视图，所述设备定位在穿透地下地 层的井内；
[0010] 图2是图1中所示的射孔枪的一部分的示意性剖视图；以及
[0011] 图3是根据本发明的一个实施例制成的衬垫的剖视图。
【具体实施方式】
[0012] 本公开的各个方面提供了聚能射孔弹，所述聚能射孔弹处理利用酸通过射孔射流 形成的地道。该酸可以部分地由构成聚能射孔弹的衬垫的一种或多种组分生成。在引爆聚 能射孔弹的含能材料时产生酸。在起爆聚能射孔弹之前不存在酸。另外，所产生的酸的量 足以执行指定的操作。在一些实施例中，酸可以腐蚀或溶解异物（诸如人造碎屑），以使得 可将该异物通过流动的地层流体而被驱逐出地道。在其它实施例中，酸可以腐蚀或溶解天 然存在的材料，诸如环绕地道的岩石或土。在另外的其它实施例中，酸可以增加地层的渗透 性或孔隙率，以增强流体流动性。
[0013] 现在参考图1，示出了定位在感兴趣的地下地层12中的井结构和/或烃生产设施 10。该设施可以是适于在井眼16中传送工具（诸如射孔枪串）的陆基钻机或海上钻机。井 眼16可包括裸眼井段和/或带套管且水泥固定的井段。该设施10可以包括已知的设备和 结构，诸如在地表20处的平台18、井架22、井口 24和套管26。从井架22悬挂到井眼16内 的工作柱28用来将工具传达到井眼16中。工作柱28可包括钻杆、连续管、钢丝绳、平直管 线或任何其它已知的输送装置。另外，工作柱28可以通过诸如井眼牵引器（未示出）的装 置而被牵拉通过井眼，这在大位移井或斜井中可能是有利的。工作柱28可包括遥测线路或 其它信号/功率传输介质，它们建立从地表到连接到工作柱28的端部的单向或双向遥测通 信。一种合适的遥测系统（未不出）可被称为泥楽脉冲、电信号、声学或其他合适的系统。 出于说明性的目的，示出了具有地表控制器（例如，电源和/或在击发面板）30的遥测系 统，所述地表控制器适于经由布置在工作柱28中的电缆或信号传输线31而传输信号。该 信号可以是模拟信号或数字信号。在本发明的一个实施例中，射孔枪32联接到工作柱28 的端部。射孔枪32可以是用于将图1所述的装置输送到钻孔中的设备。
[0014] 射孔枪32可以是炸药串组件，该炸药串组件包括引爆器、引爆绳和一个或多个聚 能射孔弹33。当在井眼中引爆时，射孔弹将产生穿过套管、水泥而进入周围地层中的孔。该 引爆建立地层与井眼之间的连通，从而提供用于要生产的地层流体和气体的路径。炸药串 组件可以设计为以预定的定时顺序操作。电引爆器可用来引爆引爆绳，这从而自上而下或 自下而上地引爆射孔弹。下面是一种部署射孔枪32的示例性方法，该射孔枪可利用根据本 公开的一个或多个引爆器。
[0015] 参考图2,示出了射孔枪组件32的横截面。射孔枪组件32具有管状载体34和同 心地设置在管状载体34内的圆筒形装药管36。装药管36的外径使得在装药管36与载体 34之间产生环形空间38。聚能射孔弹40具有截头圆锥形装药壳体42。装药壳体42典型 地由钢、压铸铝或锌合金制成，而且具有形成装药壳体42的中空内部的内表面或壁44。装 药壳体42在外端处开口并且向内渐缩。衬垫48设置在装药壳体42的内部，该衬垫48具 有大致圆锥形或截头圆锥形的构造。衬垫48从位于外端部处的基部50向内渐缩到鼻部部 分52。衬垫48在基部50处开口，并且具有中空的内部。爆炸性材料54设置在衬垫48和 壳体42的内壁44之间。爆炸性材料54从装药壳体42的内部延伸通过形成在装药壳体42 的最内端部的通道。装药壳体42接收用于引爆聚能射孔弹40的爆炸性材料54(图3)的 引爆绳56。
[0016] 图3示出了根据本发明的一个实施例制成的衬垫48的剖视图。当射孔枪组件（图 2)的聚能射孔弹（图2)被引爆时，由爆炸性材料54释放的热能和冲击波将衬垫48变换成 熔融射流，该熔融射流穿过井眼中的套管（未示出）并且进入周围地层中以形成穿孔。
[0017] 在本公开的实施例中，爆炸性材料54的引爆启动一种或多种酸的生成，所述酸被 沉积到由射流所形成的地道内。用数字60表示图1所示的说明性地道。
[0018] 在一个实施例中，衬垫48可包括用于产生酸的酸生成材料50。具体地，衬垫包括 足够的酸生成材料以产生足以有效地发挥功能的酸。通过有效地发挥功能，意味着通过酸 处理的地道具有已经以预定量或期望量改变的属性或特性（例如，渗透性）。酸生成材料 50可以通过第一组分和第二组分的相互作用而形成。第一组分可以是或包括质子供给体或 正离子。第二组分通常是呈液态或气态形式的含水溶剂。应当理解的是，第二组分可以存 储呈固体形式（例如，水合物）的水溶液。该固体可被处理以形成与第一组分相互作用以 形成酸的液体或气体。
[0019] 在一种布置中，酸生成材料50可包括形成酸所需的所有组分，例如，第一组分和 第二组分。在另一种布置中，衬垫48可包括与枪32中的第二组分相互作用以形成酸的第 一组分。例如，第二组分可以是用于至少部分地形成壳体42的材料。再者，第二组分可以 是位于衬垫48外部但位于载体34内部的固体、液体或气体。在又一种变型中，第二组分可 以是载体34外部的井流体。在另一种布置中，衬垫48可以包括与位于载体34外部并且可 定位在井眼16和/或地层12中的天然存在的第二组分相互作用的第一组分。术语"天然 存在的"指的是驻留在地层16中的诸如水、盐水和烃的材料。
[0020] 酸可以被定义为可以用作Lewis酸或Bronsted-Lowrey酸，包括典型地呈水溶液 形式的酸。在一个非限制性的例子中，酸生成材料可以包括第一组分，该第一组分可构造成 在引爆爆炸性材料时形成酸。第一组分可以由酸生成材料分解而成；在分解之后，第一组分 可以与第二组分相互作用以形成酸。
[0021] 酸生成材料可包括构造为与第一组分相互作用以产生酸的催化剂。第一个组分可 以构造为与衬垫外部的第二组分（例如，溶剂）反应，用于在水溶液中形成酸。溶剂或第二 组件可以位于钻孔中、位于地层中或者位于这两者中。
[0022] 在一些实施例中，酸生成材料可以包括一种或多种组件分，诸如包括但不限于：质 子供给体或正离子、质子受体或负离子、催化剂或者有助于在引爆爆炸性材料时形成酸的 材料。对本领域技术人员来说显而易见的是，酸生成材料的各方面可用作质子供给体（阳 离子）和质子受体（阴离子）。酸生成材料的组分可以是或者包括但不限于：氧化铝、沸石、 焦亚硫酸钠、焦亚硫酸钾、硫酸铜（II)、氧化钒（V)、氯化磷、亚硫酰氯族、酰基氯族、烷基卤 族、卤代烯烃族、芳基齒化物族、磷、钴、铬，猛，过氧化氢族、石脑油、乙醛、氟化钙、氟橡胶、 聚四氟乙烯、草酸、无水甘油、异氰化物、乙胺、氯仿、甲酰氟、甲酸钠、氢氰酸、硝化磷酸盐、 磷酸三钙以及它们的组合。所生成的酸可以是但不限于磷酸、硫酸、醋酸、甲酸、膦酸以及它 们的组合。
[0023] 在一些实施例中，材料50可以配制为只有在暴露于催化剂52时发生反应。催化 剂52可以设置在隔离材料54中。隔离材料54最初防止催化剂52与衬垫48中的其他材 料相互作用。隔离材料54可选择成在存在一种或多种条件下释放酸生成材料。例如，隔离 材料54可以是金属，该金属的熔点低于在引爆爆炸性材料44时所遇到的温度。一种说明 性但不排他的隔离材料是锌。在引爆射孔弹40时，隔离材料54可以在允许催化剂52与酸 生成材料50相互作用的条件下烧掉、融化、溶解、解离或以其他方式经历变化。
[0024] 应该意识到的是，隔离材料54也可用来隔离第一组分或第二组分或者第一组分 和第二组分两者。通过隔离，这意味着在引爆射孔枪之前组分的任一种或两者不会相互作 用。在某些实施例中，催化剂材料可用于隔离第一组分或第二组分或者第一组分和第二组 分两者。
[0025] 衬垫48还可包括基体材料，诸如金属粉末或者与可延展材料相混合的粉末金属， 所述可延展材料诸如是铝、锌、紫铜、钨、铅、铋、钽、锡、黄铜、钥等材料。诸如增塑剂或粘合 剂的材料也可以包括在衬垫48的基体材料中。衬垫48也可以由可锻固体或片材形成，诸 如紫铜、锌、和Pfinodal合金。
[0026] 为了进行说明和解释，前面的描述针对本发明的特定实施例。然而，对于本领域技 术人员来说显而易见的是，在不偏离本公开的范围的情况下，可对上面提到的实施例进行 许多修改和改变。因此，目的在于下述权利要求书被解释为包括所有这些修改和改变。
【权利要求】
1. 一种对地下地层穿孔的设备，包括： -壳体，所述壳体具有开槽端部和开放端部，所述开槽端部构造成接收引爆线； -含能材料，所述含能材料设置在所述开放端部中；以及 -衬垫，所述衬垫包封所述开放端部，所述衬垫包括： -酸生成材料，所述酸生成材料构造成在引爆爆炸性材料时形成酸。
2. 如权利要求1所述的设备，其中，所述酸生成材料包括至少第一组分，所述第一组分 构造成与衬垫外部的第二组分发生反应。
3. 如权利要求2所述的设备，其中，所述第二组分位于钻孔中。
4. 如权利要求2所述的设备，其中，所述第二组分位于地层中。
5. 如权利要求2所述的设备，还包括用于生成酸的催化剂。
6. 如权利要求1所述的设备，其中，所述酸生成材料包括第二组分。
7. 如权利要求1所述的设备，其中，所述酸生成材料包括第一组分和第二组分。
8. 如权利要求7所述的设备，还包括将第一组分与第二组分隔离开的隔离材料。
9. 如权利要求1所述的设备，其中，第一组分选自包括下述物质的组：氧化铝、沸石、 焦亚硫酸钠、焦亚硫酸钾、硫酸铜（II)、氧化钒（V)、氯化磷、亚硫酰氯族、酰基氯族、烷基卤 族、卤代烯烃族、芳基齒化物族、磷、钴、铬，猛，过氧化氢族、石脑油、乙醛、氟化钙、氟橡胶、 聚四氟乙烯、草酸、无水甘油、异氰化物、乙胺、氯仿、甲酰氟、甲酸钠、氢氰酸、硝化磷酸盐、 磷酸三钙以及它们的组合。
10. 如权利要求1所述的设备，其中，第一组分通过与第二组分相互作用而形成酸，所 述第二组分选自包括下述物质的组：氧化铝、沸石、焦亚硫酸钠、焦亚硫酸钾、硫酸铜（II)、 氧化钥;（V)、氯化磷、亚硫酰氯族、酰基氯族、烧基卤族、卤代烯经族、芳基卤化物族、磷、钴、 铬、锰、过氧化氢族、石脑油、乙醛、氟化钙、氟橡胶、聚四氟乙烯、草酸、无水甘油、异氰化物、 乙胺、氯仿、甲酰氟、甲酸钠、氢氰酸、硝化磷酸盐、磷酸三钙以及它们的组合。
11. 一种对地下地层穿孔的设备，包括： -壳体，所述壳体具有开槽端部和开放端部，所述开槽端部构造成接收引爆线； -含能材料，所述含能材料设置在所述开放端部中；以及 -衬垫，所述衬垫包封所述开放端部，所述衬垫包括： -酸生成材料，所述酸生成材料包括第一组分和第二组分，所述第一组分在暴露于第二 组分中时分解以形成酸。
12. 如权利要求11所述的设备，其中，所述酸生成材料包括选自包括下述物质的组：氧 化铝、沸石、焦亚硫酸钠、焦亚硫酸钾、硫酸铜（II)、氧化钒（V)、氯化磷、亚硫酰氯族、酰基 氯族、烷基齒族、齒代烯烃族、芳基齒化物族、磷、钴、铬、锰、过氧化氢族、石脑油、乙醛、氟化 钙、氟橡胶、聚四氟乙烯、草酸、无水甘油、异氰化物、乙胺、氯仿、甲酰氟、甲酸钠、氢氰酸、硝 化磷酸盐、磷酸三钙以及它们的组合。
13. 如权利要求11所述的设备，其中，所述第二组分是含水流体。
14. 如权利要求11所述的设备，其中，所述第二组分位于钻孔中。
15. 如权利要求11所述的设备，其中，所述第二组分位于地层中。
【文档编号】E21B43/11GK104066924SQ201380005919
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年1月18日 优先权日:2012年1月18日
【发明者】M·克莱, J·C·特拉维拉 申请人:欧文石油工具有限合伙公司