专利名称：万能射孔器的发火头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在生产碳氢化合物的井中钻出套管的射孔器。更具体一些，本发明涉及一种改进的发火头，它能机械地或借助于液体差压或绝对液体压力动作，以在井下起爆射孔器。
在从地下的地质层组中生产石油和天然气时，套管一般都装在在岩层中钻出的钻孔中。为了从岩层中生产碳氢化合物流体，套管用一射孔器穿透，该射孔器中含有用发火头致动的多级射孔弹。当发火头被致动时，第一级炸药被引爆并点燃与点火索连接的传爆炸药。点火索将爆轰波传给聚能射孔弹，该射孔弹就被触发，产生用于穿透套管和周围的地质层组的爆炸气流。
目前正在使用的发火头用机械的、液压的或电气的机构动作。某些机械式发火头的动作是靠将重物(称为“清管器”(go devil))抛入或泵入油管来实现的。重物经过油管移动，并撞击一活塞，将一点火栓驱入引爆炸药中。其它的机械式发火头则抛掷重物，以释放点火栓夹持器，从而使油管中的流体能将点火栓强行推入引爆炸药中。例如，在授予Schneider(1990)的美国专利No.4924952中公开了一种引爆组件，它用一钢丝绳起下的工具或重物致动，以机械地释放受流体偏压的点火栓，使之与引爆头接触。
差压发火头对管内流体压力与在油管柱和套管之间的环状空间中的环空压力之间的差压起反应。当油管压力比套管压力大某一选定的量时，就使发火头动作，引爆射孔器。通常用一锁定器将点火栓夹持在适当位置上，以防止射孔器提前引爆。当油管压力超过环空压力时，锁定器松开点火栓，于是油管压力驱动点火栓，使之与引爆器接触。在授予Wesson等人(1989)的美国专利No.4836109中，一用差压动作的活塞在高压侧与封隔器下方的某个位置连通，并在低压侧与油井中的一个隔离区连通。在授予Up church(1985)的美国专利No.4509604中，一种用差压动作的活塞在高压侧与封隔器上方的某个位置连通，而在低压侧与油井中的隔离区连通。
授予George等人的美国专利No.4911251公开了一种发火头，它在由三个活塞联合工作而产生的机械力或液压力的作用下动作。致动器活塞由一清管器撞击或用钢丝绳起下的工具致动。用机械的方式松开致动器活塞，释放第一点火活塞，由此管内流体压力能驱动第一点火活塞，使之进入引爆炸药中。另一种方案是可使油管内的流体压力朝着第二点火活塞加大，以驱动第二点火活塞和所附的第一点火活塞，使之与引爆炸药接触。朝着第二点火活塞工作的差压等于油管压力减去密封的外壳凹槽中的低压。
在授予George等人(1990)的美国专利No.4969525中公开了类似的用液压致动的概念，其中，移动差压式活塞，以释放点火栓。活塞的高压侧与隔离的油井区连通，而活塞的低压侧则与受到大气压力的密封室连通。在主发火头的上方装有一机械的或液压的备用发火头，它用一备用的点火索附在传爆炸药上。如果使备用发火头在液压的作用下操作，则可以将致动压力设定在与主发火头的致动压力不同的水平上，以控制发火头的点火顺序。
在授予Huber等人(1991)的美国专利No.5050672中，射孔器附着在油管柱上，而且在进入油井时不带有发火头。可使差压式发火头下降至一靠近射孔器的位置，并可在发火头不工作时单独地将其从油井中取出。
曾经采用电动的发火头引爆射孔器。在授予Carisella等人(1992)的美国专利No.5115865中描述了各种不同的电引爆技术，并且公开了用于防止射孔器过早引爆的安全技术。
在授予Burleson等人(1994)的美国专利No.5287924和No.5355957中，用压力致动的第一和第二发火头处于井下，并且致动用的流体压力有选择地与第二发火头隔离，直至第一发火头动作时为止。这一概念提供了用于有选择地在多个井区钻井的技术。使每个射孔器的发火头的致动流体压力通过油管柱的孔供给，并使每个发火头的工作压力由夹持各个点火活塞的安全销的数目来确定。
在授予George(1994)的美国专利No.5366014中公开了一种模块式射孔器系统，它可以使在连续油管或其它机构中运送的复式射孔器模块得以安装、动作和取出。
采用不同类型的用于射孔器的发火头，通常需要贮存和使用机械的和液压的发火头。由发火头失效引起的费用促使在井中采用辅助的备用发火头，它增加了下井仪器串的长度和油井操作成本。因此，需要有一种组合的发火头，它能可靠地在机械操作和液压操作下运行，而且能自动地提供辅助的点火能力。
本发明提供了一种用于致动位于油井中的井下射孔器内的炸药的改进的发火头。它有一中空的外壳，此外壳具有用于连通在油井与外壳内的内部空间之间的压力的口。它装有一用于撞击炸药的点火栓，释放用销钉最初夹持点火栓，并且该释放用销钉是可以移动的，以使点火栓动作。有一活塞可松开地与释放用销钉接合，而该活塞又可响应外壳内的压力变化而移动，以移动释放用销钉，使之动作点火栓。
在本发明的其它实施例中，第一夹持器可在最初夹持点火栓，而一第二夹持器则可松开地将释放用销钉附着在一差压式活塞上。差压式活塞的移动使释放用销钉致动点火栓，而释放用销钉的机械致动在另一方面又使释放用销钉与差压式活塞脱开，以动作点火栓。
本发明允许通过控制外壳内部与油井之间的差压并采用机械技术来使点火栓致动。此外，在本发明的另一实施例中，外壳的口可被塞住，以根据外壳中的绝对压力致动点火栓。
图1示出了本发明的剖视图。
图2示出了在释放用销钉已经由一移动的重物机械地致动后本发明的一个实施例。
图3示出了本发明的一个实施例，其中差压式活塞已经被外壳压力与井压之间的压差致动。
图4示出了本发明的一个实施例，其中各个口被堵塞，以致点火栓被外壳中的绝对压力致动。
本发明提供了一种用于使射孔器动作的改进的发火头。参看图1，发火头10工作，以点燃附着在点火索14上的传爆炸药12。在本技术领域中已经知道，传爆炸药12的引爆会产生一经过点火索14传播的爆轰波，使聚能射孔弹(未示出)起爆。
发火头10通常包括一外壳16、点火栓18、释放用销钉20和活塞22。点火栓18起初用释放用销钉20固定，并由释放用销钉20在外壳16中的移动来致动。释放用销钉20可以包括弹簧夹持器24，它起初与点火栓18上的凹槽26接合。释放用销钉20在外壳16中沿任一纵向的移动使夹持器24动作，与凹槽26脱开，从而将点火栓18松开，使之在外壳16中朝传爆炸药12移动。
在如图1所示的本发明的一个实施例中，活塞22包括一具有第一端28和第二端30以及中间段32的差压式活塞。虽然活塞22是作为一个差压式活塞示出的，但是在本发明的不同构形中活塞22可以有同样尺寸的端部。活塞22由一以安全销34的方式示出的夹持器可松开地装在释放用销钉20上。外壳16装在管道36上并装在射孔器38上。密封圈40封闭外壳16、管道36与射孔器38之间的环形空间。在外壳16的里面装有流体42，在外壳16的外部有流体44。流体44在此处通常被定义为“井产流体”，并包括在外壳的外面存在的任何流体或气体，在下面将对此作更彻底地描述。在已经装有套管的地方，液体44包括在外壳16的外表面和套管的内表面之间的环状空间中的流体。在发火头10的上方和下方具有环形封隔器的下套管井中，流体44可能会包括像大气的气体，这种气体能提供一个小的压力降。在其它一些构形与应用中，流体44可能在封隔器的上方和在封隔器的下方与井内的其它区域连通，可与井面的设备连通，或与不同的地质区连通。
点火栓18包括用于与传爆炸药接触的发火头46。如果需要的话，外壳插件48可以放在外壳16的里面或可以包括部分外壳16，安全销50最初可将点火栓18保持在一个相对于传爆炸药12为固定的位置上。点火栓18有一流体接触端52，它用于与流体42接触，以使流体42的流体静压对流体接触端52产生一个作用力。
参考图2，它示出了本发明的一个实施例，其中，点火栓18已经用移动的重物54致动。重物54可以在一基本上垂直的井中从井面下落，并可以在一倾斜的或水平的井中被穿过管道36泵送。当重物54与释放用销钉20接触时，重物54产生一个力，将安全销34折断并朝传爆炸药12驱动释放用销钉34。释放用销钉20使夹持器24与凹槽26脱开，而流体42的流体静压力则与流体接触端52接触，将点火栓18如图2所示的那样推靠在传爆炸药12上。
也可以用其它的机械技术来代替重物54，从而使栓20移动。这类技术包括钢丝绳、平直管线、管道控制操作和本技术领域中已知的其它技术。
图3示出了点火工具10的另一种操作，其中，流体42与流体44之间的压力差受到控制，以使点火栓18动作。在本发明的这一实施例中，流体42的压力对表面56和58产生一个力。接触表面的面积差乘以流体42的压力产生一由流体42产生的合力。外壳16上的口60使井产流体44流入外壳16内的空间62。如图3所示，井产流体44与活塞22的中间段32接触。流体44由密封圈64控制在空间62中，与活塞的表面66和68接触，并产生一作用在活塞22上的合力。如果空间62中流体44的压力低于流体42的压力，则在活塞22上作用一合力，使活塞22从图1所示的最初位置移动。
如图3所示，流体42的压力已经加大到某个水平，此时使流体42与流体44之间的压力差产生一个合力，该合力将活塞22的第二端30推向抗剪夹持器70，从而使活塞22移动，离开传爆炸药12。当活塞22在外壳16中沿这一方向移动时，安全销34相对于活塞22夹持释放用销钉20，并相应地使释放用销钉20移动。释放用销钉20的这种移动使夹持器24动作，与凹槽26脱开，从而释放点火栓18，使之与传爆炸药12接触。
流体42的压力可从井面进行控制，以在流体42和流体44之间产生一足够的压力差，去移动活塞22。这些零件的朝向和流体42与流体44的相对压力都可以调整，以改变活塞22和释放用销钉20的移动方向。作为一个说明性的例子，流体42的压力可以降低到低于流体44的压力，以使活塞朝传爆炸药12移动。在这一例子中，安全销34将相对于活塞22夹持释放用销钉20，并且活塞的台肩72可与释放用销钉的释放台肩74接触，从而将释放用销钉20推向传爆炸药12。这种移动可使夹持器24脱开，并使点火栓18如上所述的与传爆炸药12接触。
图4示出了本发明的另一操作，其中塞子76位于口60中。在这一构形中，流体42的压力可以加大至一经过选择的、足以使抗剪夹持器70断开的水平。因此，本发明是根据绝对流体压力动作的，该绝对流体压力使活塞22和所附着的释放用销钉20按如上所述的相同顺序移动，进行差压工作。虽然塞子76可以装在井的表面上，但塞子76也可以包括一个从井面进行遥控的阀。本发明的这一特征可以在忽略流体44的压力波动的情况下进行发火头10的液压操纵。
本发明提供了一种能用流体的差压以及用流体的绝对压力控制使发火头机械地动作的独特装置。这种操作灵活性的组合可使一种工具用于任何一种应用场合，避免在钻井中需要使用多种发火头，并在第一点火程序失败时有提供内部的备用发火头的能力。例如，可以用下列方式克服用压力致动的点火操作的失败，即机械地操作释放用销钉，使点火栓动作，或封闭口60，用绝对压力致动发火头10。
虽然根据某些优选实施例对本发明作了描述，但是熟悉本领域的技术人员都会明白，可以在不背离本发明的范围的前题下对此处所述的本发明的概念进行修改和改进。此处所示的实施例只是本发明的概念的说明，而不应被解释为是对本发明的范围的限制。
权利要求
1.一种用于触发在位于井下的射孔器中的炸药的改进的发火头，包括一中空的外壳，所述外壳具有一用于在油井与上述外壳内的内部空间之间传递压力的口；一用于撞击炸药的点火栓；一用于固定上述点火栓的释放用销钉，其中，上述释放用销钉的移动使上述点火栓动作，从而使之与炸药接触；一可松开地与上述释放用销钉接合的活塞，其中，上述活塞可响应上述中空外壳内的压力变化而移动，以有选择地移动上述释放用销钉，使上述点火栓动作，并且上述释放用销钉可以机械地与上述活塞脱开接合，从而有选择地移动上述释放用销钉，使上述点火栓动作。
2.一种如权利要求1所述的发火头，其特征为，上述活塞可响应在上述中空外壳内的压力与上述外壳外的压力之间的压力差而移动。
3.一种如权利要求1所述的发火头，其特征为，上述活塞可响应一经过选择的在上述外壳内的压力增加而移动。
4.一种如权利要求1所述的发火头，它进一步包括一活塞夹持器，用于在最初将上述活塞固定在上述外壳中，其中，上述活塞夹持器在上述外壳中的压力达到一选定的水平时松开上述活塞。
5.一种如权利要求1所述的发火头，其特征为，上述释放用销钉可以被一个在上述外壳中移动的重物接触，以机械地与上述活塞脱开。
6.一种如权利要求1所述的发火头，其特征为，上述释放用销钉可被一钢丝绳起下的工具致动，以机械地使上述释放用销钉与上述活塞脱开。
7.一种如权利要求1所述的发火头，它进一步包括一阀门，用于有选择地关闭上述中空外壳上的口。
8.一种用于触发在位于井下的射孔器中的炸药的改进的发火头，包括一用于盛放从井面加压的流体的中空外壳；一在上述外壳中的用于撞击炸药的点火栓；一用于固定上述点火栓的第一夹持器；一与上述夹持器接合的用于固定上述点火栓的释放用销钉，其中，上述释放用销钉的移动松开了上述夹持器，使上述点火栓与炸药接触；一在上述外壳中的差压式活塞，它可响应上述外壳中的流体压力变化而移动；一在上述外壳中的用于将井压传给上述差压式活塞的口；以及一用于可松开地与上述差压式活塞和上述释放用销钉接合的第二夹持器，其中，上述第二夹持器将上述释放用销钉附着在上述差压式活塞上，以在上述差压式活塞由于流体压力的变化而移动时松开上述第一夹持器，并且上述第二夹持器在上述释放用销钉被机械地致动时使上述释放用销钉与上述差压式活塞脱开。
9.一种如权利要求8所述的发火头，其特征为，上述口将井压传递给上述差压式活塞的低压端。
10.一种如权利要求8所述的发火头，其特征为，上述口将井压传递给位于上述外壳内的内部空间，而上述内部空间构成上述差压式活塞的低压侧。
11.一种如权利要求8所述的发火头，其特征为，上述释放用销钉同心地位于上述差压式活塞的内部。
12.一种如权利要求8所述的发火头，它进一步包括一个用于最初将上述活塞固定在上述外壳上的活塞夹持器，其中，上述活塞夹持器在上述中空外壳中的压力达到某一选定的量时松开上述差压式活塞。
13.一种如权利要求8所述的发火头，它进一步包括一可从井面进行致动的阀门，用以有选择地关闭上述口。
14.一种如权利要求8所述的发火头，它进一步包括一用于有选择地关闭上述口的塞子。
15.一种用于触发在位于井下的射孔器中的炸药的改进的发火头，包括一用于盛放从井面加压的流体的中空外壳；一在上述外壳中的用于撞击炸药的点火栓；一用于固定上述点火栓的第一夹持器；一与上述夹持器接合、用于固定上述点火栓的释放用销钉，其中，上述释放用销钉的移动松开上述夹持器，以使上述点火栓被加压的流体推动而与炸药接触；一在上述外壳内并同心地位于上述释放用销钉周围的差压式活塞，其中，上述差压式活塞可响应外壳中的流体压力变化而移动，一在上述外壳中的用于将井压传递给上述差压式活塞的口；一用于可松开地与上述差压式活塞和上述释放用销钉接合的第二夹持器，其中，上述第二夹持器将上述释放用销钉附着在上述差压式活塞上，以在上述差压式活塞由于流体压力的变化而移动时松开上述第一夹持器，并且上述第二夹持器在上述释放用销钉被机械地致动时使上述释放用销钉与上述差压式活塞脱开。
16.一种如权利要求15所述的发火头，它进一步包括一用于有选择地堵住上述口的塞子。
17.一种如权利要求15所述的发火头，其特征为，上述口将井压传递给上述差压式活塞的低压端。
18.一种如权利要求15所述的发火头，它进一步包括一用于最初将上述活塞固定在上述外壳上的活塞夹持器，其中，上述活塞夹持器在上述中空外壳内的压力达到某一选定值时松开上述差压式活塞。
19.一种如权利要求15所述的发火头，其特征为，上述释放用销钉可在上述外壳内被一移动的重物接触，用以机械地与上述差压式活塞脱开。
20.一种如权利要求1所述的发火头，其特征为，上述发火头被上述中空外壳内的压力推动，以在上述第一夹持器松开上述点火栓之后接触炸药。
全文摘要
一种用于激发在射孔器中的炸药的发火头，在其外壳中装有点火栓，以使引至射孔器的传爆炸药引爆。点火栓可用机械技术通过控制外壳压力与井压之间的差压以及控制外壳中的绝对流体压力来致动。释放用销钉最初夹持点火栓，并可机械地被致动，还可松开地与差压式活塞接合，该活塞通过发火头外壳上的口与井压连通。增加外壳中的流体压力，使活塞和所附着的释放用销钉移动，以松开点火栓，使之与传爆炸药接触。还可以将口塞住，以便用绝对压力致动点火栓。
文档编号E21B43/1185GK1158382SQ9612262
公开日1997年9月3日 申请日期1996年10月10日 优先权日1995年10月11日
发明者罗伯特·K·贝瑟尔, 戴维德·G·霍西, 迈克尔·B·格雷森 申请人:西亚国际阿特拉斯公司