非易碎的射孔枪系统.pdf

一种用于射孔枪的聚能射孔弹组件还包括弹架和枪壳。所述弹架基本上封装了聚能射孔弹的封闭部分，并从聚能射孔弹的外边界延伸到相关枪壳的内径处。聚能射孔弹的封装大大减少了由引爆射孔枪聚能射孔弹而产生的碎片进入到井筒内。弹架中可以包括多个聚能射孔弹。

1.  一种聚能射孔弹组件，包括：
枪壳；
容纳在枪壳内的聚能射孔弹；和
布置在枪壳和聚能射孔弹之间的空间内的弹架，其中所述弹架填充了聚能射孔弹外部边界和枪壳之间的至少部分体积。

2.  如权利要求1所述的聚能射孔弹组件，其中弹架和聚能射孔弹加起来的体积占枪壳内部空间全部空体积的大约20％到大约80％，而其中枪壳内的自由体积占枪壳内部空间全部空体积的大约80％到大约20％。

3.  如权利要求1所述的聚能射孔弹组件，其中弹架和聚能射孔弹加起来的体积占枪壳内部空间全部空体积的约65％，而其中枪壳内的自由体积占枪壳内部空间全部空体积的约35％。

4.  如权利要求1所述的聚能射孔弹组件，其中所述聚能射孔弹具有开口端，所述聚能射孔弹组件还包括在聚能射孔弹开口端和枪壳之间区域内的间隙。

5.  如权利要求1所述的聚能射孔弹组件，还包括聚能射孔弹内的炸药，其中，所述弹架在炸药爆炸时保持聚能射孔弹结构的完整性。

6.  如权利要求1所述的聚能射孔弹组件，还包括多个聚能射孔弹。

7.  如权利要求6所述的聚能射孔弹组件，还包括布置在所述弹架上的多个孔，所述孔被形成以容纳所述多个聚能射孔弹。

8.  如权利要求7所述的聚能射孔弹组件，其中所述孔的每一个垂直于弹架的轴线设置，所述孔的每一个被布置在弹架轴线的周围基本上相同径向位置处。

9.  如权利要求7所述的聚能射孔弹组件，其中所述孔的每一个孔垂直于弹架的轴线设置，并且所述孔的每一个在弹架轴线的周围多个径向位置处被隔开。

10.  如权利要求7所述的聚能射孔弹组件，其中所述孔沿所述弹架的外表面形成螺旋型式。

11.  如权利要求6所述的聚能射孔弹组件，其中所述多个聚能射孔弹的每一个具有开口端，而且其中所述聚能射孔弹组件还包括在所述开口端中的每一个和枪壳之间区域内的间隙。

12.  如权利要求11所述的聚能射孔弹组件，还包括在每个聚能射孔弹内的炸药，其中所述弹架在炸药爆炸时保持每个聚能射孔弹结构的完整性。

13.  如权利要求1所述的聚能射孔弹组件，还包括定向块。

14.  如权利要求1所述的聚能射孔弹组件，其中所述弹架包括至少两个模块段。

15.  如权利要求14所述的聚能射孔弹组件，其中所述模块段以相位排列的方式布置。

16.  如权利要求1所述的聚能射孔弹组件，其中所述弹架由互相连接的股组成。

17.  一种聚能射孔弹组件，包括：
枪壳；
容纳在枪壳内的聚能射孔弹，所述聚能射孔弹包括罩、罩内的内衬、和罩与内衬之间的炸药；和
布置在枪壳和聚能射孔弹之间的空间内的弹架，其中所述弹架围绕所述罩的外表面并且在炸药爆炸期间使产生的碎片最少。

18.  如权利要求17所述的聚能射孔弹组件，其中弹架和聚能射孔弹加起来的体积占枪壳内部空间全部空体积的大约20％到大约80％，而其中枪壳内的自由体积占枪壳内部空间全部空体积的大约80％到大约20％。

19.  如权利要求17所述的聚能射孔弹组件，其中弹架和聚能射孔弹加起来的体积占枪壳内部空间全部空体积的约65％，而其中枪壳内的自由体积占枪壳内部空间全部空体积的约35％。

20.  如权利要求17所述的聚能射孔弹组件，其中所述聚能射孔弹以相位排列的方式布置。

21.  如权利要求17所述的聚能射孔弹组件，还包括定向块。

22.  如权利要求17所述的聚能射孔弹组件，其中所述弹架包括至少两个模块段。

23.  如权利要求17所述的聚能射孔弹组件，其中所述弹架由互相连接的股组成。

非易碎的射孔枪系统
技术领域
本发明通常涉及油气生产领域。更具体地说，本发明涉及非易碎的聚能射孔弹系统。然而更具体地，本发明涉及射孔枪系统，在与其相关的聚能射孔弹引爆之后该射孔枪系统能把油井射孔过程中产生的井筒枪碎片降到最少。
背景技术
除了其它目的之外，射孔系统还用于在钻穿过地层的井筒中制造水力连通的通道(称为射孔孔眼)，以便地层的预定层带能够与井筒水力连通。需要射孔是因为通常将管子或套管同轴线插入井筒内并通过向井筒和套管之间的环空泵入水泥将套管固定住而完成完并的。水泥胶结的套管提供在井筒内是为了把井筒穿过的各地层水力上互相隔开的特殊目的。
射孔系统典型地包括一个或多个串在一起的射孔枪，这些串在一起的射孔枪有时射孔长度超过一千英尺。包含在射孔枪内的是聚能射孔弹，它典型地包括罩、内衬、和一定数量的嵌入在内衬和罩之间的高能炸药。当将高能炸药引爆后，爆炸的力量炸毁了内衬并把它以很高的速度从射孔弹的一端以称作“射流”的方式喷出。射流穿透套管、水泥和一些储层。
由于炸药爆炸引起的很大力量，聚能射孔弹和与它相关的部件经常粉碎成很多脱离射孔枪进入到井筒内流体的碎片。这些碎片能够堵塞和损害例如限流器和管线之类的装置，因此限制了通过这些装置的流体的流动，而且可能阻碍了从特定井筒生产的油气的数量。因此，需要一种能显著地减少聚能射孔弹碎片的进行射孔操作的装置和方法。
发明内容
本发明涉及聚能射孔弹组件，其包括枪壳，容纳在枪壳内的聚能射孔弹，布置在枪壳和聚能射孔弹之间的空间内的弹架。弹架填充了聚能射孔弹外围和枪壳之间的至少部分体积。弹架和聚能射孔弹加起来的体积可占枪壳内部空间全部空的体积的大约20％到大约80％；枪壳内的自由体积可占枪壳内部空间内全部空的体积的大约80％到大约20％。可选择地，弹架和聚能射孔弹加起来的体积可占枪壳内部空间全部空的体积的大约65％。在可选择的实施例中，枪壳内的自由体积可占枪壳内部空间内全部空的体积的大约35％。
在本装置的一个实施例中，聚能射孔弹具有开口端，而且所述聚能射孔弹组件还包括聚能射孔弹的开口端和枪壳之间区域内的间隙。炸药可以放置在聚能射孔弹内，其中，弹架在炸药爆炸时保持了聚能射孔弹结构上的完整性。此外，聚能射孔弹组件还可包括多个聚能射孔弹。多个孔布置在弹架上以容纳多个聚能射孔弹。孔可以垂直于弹架的轴线设置，并布置在围绕弹架轴线周围基本上相同的径向位置处。在另一个实施例中，每个孔布置成垂直于弹架的轴线，并且围绕弹架的轴线在多个径向位置处隔开。此外，所述孔沿着弹架的外表面形成螺旋型式。
每个聚能射孔弹有开口端，并且其中每个聚能射孔弹组件还可包括在每个开口端和枪壳之间区域内的间隙。炸药还可以包括在每个聚能射孔弹内，其中弹架在炸药爆炸时保持了每个聚能射孔弹结构上的完整性。
定向块可供选择地被包含在弹架上。此外，弹架可以包括至少两个模块段。所述模块段可以以相位排列的方式进行配置。在聚能射孔弹组件的一个可选择的实施例中，弹架可以由互相连接的股(strand)组成。
也包括在本公开中的聚能射孔弹组件包括枪壳、容纳在枪壳内的聚能射孔弹，其中所述聚能射孔弹包括罩、罩内的内衬和罩与内衬之间的炸药。在该实施例中，聚能射孔弹组件包括布置在枪壳和聚能射孔弹之间的弹架，其中弹架围绕罩的外表面并且在炸药爆炸期间使产生的碎片最少。这里弹架和聚能射孔弹加起来的体积能够占到枪壳内部空间全部空体积的大约20％到大约80％，而枪壳内的自由体积占枪壳内部空间内全部空的体积的大约80％到大约20％。在这个实施例中，可选择地，弹架和聚能射孔弹加起来的体积占枪壳内部空间全部空的体积的大约65％，而枪壳内的自由体积占枪壳内部空间内全部空的体积的大约35％。这个实施例中的聚能射孔弹可以相位排列的方式设置，此外，所述聚能射孔弹组件还可包括定向块。弹架可选择地包括至少两个模块段并且也能够由互相连接的股组成。
附图说明
附图1描绘了弹架一个实施例的横截面透视图。
附图2显示了本发明一个实施例的透视图。
附图3A和3B描绘了弹架实施例的透视图。
附图4A和4B描绘了可供选择实施例的弹架的结构。
附图5显示了弹架分段的实施例。
具体实施方式
参见这里的附图，附图1描绘了本发明一个实施例透视角度的横截面图。如图所示，这个实施例包括枪壳10、聚能射孔弹18、弹架16和可选择的定向块14。众所周知，策略性地布置定向块14与以预先确定的布置设置聚能射孔弹18结合起来能够在井筒内确定射孔系统6的方向，从而在井筒内产生所需的射孔孔眼。在附图1的实施例中，所示的枪壳10是具有基本为筒状横截面的细长部件。在这里为了公开的目的，枪壳10可包括枪体或枪管，或任何其它能够将聚能射孔弹18保持、容纳和/或安置在其内的结构。然而，枪壳10的形状不局限于筒状横截面，而是可以包括其它形状，例如具有多个平侧面的六边形、八边形和类似的形状。作为选择，枪管(未示出)可以包括有聚能射孔弹组件，并且枪管共轴线地容纳在枪壳10的内径里。
如图所示，聚能射孔弹18被容纳在枪壳10的内径里，而且被垂直于枪壳10的长度定向。聚能射孔弹18包括射孔弹罩34、炸药32和内衬30。这里公开的装置可以与任何类型的聚能射孔弹18(“现货供应的”或者制造成特殊尺寸、形状或性能规格的射孔弹)一起使用。射孔弹罩34由底部部分36和壁38组成。壁38形成了向上延伸并离开底部部分36外围的大致管状的部分。形成在壁38和底部部分36之间的空间用于容纳炸药32和内衬30。优选地，底部部分36具有碗状的内边界，以便当它的内部和外部表面从底部部分36的轴线42离开时这些表面平行于轴线42弯曲。壁38和底部部分36大约在射孔弹罩34的内表面基本上平行于轴线42处相会。底部部分36还包括用于引爆射孔弹罩34内的炸药32的引爆药20。
附图1中的聚能射孔弹18在枪壳10内被定向，以便射孔弹罩34的开口端19指向形成在枪壳10的外表面的任意的扇形结构12。众所周知，扇形结构12的存在减少了起爆药必须穿透的枪壳材料的量，因此改善了聚能射孔弹射孔穿透的性能。
附图1的实施例中的弹架16占据了枪壳10的内表面和射孔弹罩34之间空间的至少一部分。而且，弹架16基本上在底部和沿长度方向围绕射孔弹罩34的外表面，但是弹架没有延伸进入聚能射孔弹开口端19上面的区域。在聚能射孔弹18的开口端19和枪壳10的内径之间存在间隙21，这能使得形成离开聚能射孔弹18时的聚能射孔弹射流。另外，在不包括定向块14的实施例中，弹架16可以占用放置定向块14的空间。
附图1中实施例的自由体积，也就是聚能射孔弹18、弹架16或者定向块14没有占用的枪壳10内边界内部的体积，可以是枪壳内部空间全部空体积的大约20％到大约80％。射孔系统6的自由体积可以由环境空气、加压空气、或处在环境或加压状况下的其它气体占据。占据自由空间的物质不限于气体，而是可以包括其它低密度的物质。固体体积，也就是弹架16和聚能射孔弹18(和选择性的定向块14)的全部体积，可占据枪壳10内的剩余空间，因此可占据枪壳内部空间全部空体积的大约80％到大约20％。
在本装置的一个实施例中，自由空间体积占枪壳内部空间全部空体积的大约35％。因此这个实施例为弹架16和聚能射孔弹18(和选择性的定向块14)提供了占枪壳内部空间全部空体积大约65％的体积。这些自由空间/固体体积的体积比不取决于弹架16内的聚能射孔弹18的数量，而是适用于具有任何数量相关聚能射孔弹18的弹架16，甚至适用于那些少到仅有一个聚能射孔弹18的弹架。
在聚能射孔弹18引爆过程中，弹架16应该能够限制聚能射孔弹18，因此弹架材料应该具有足够的结构完整性以避免在作业过程中被粉碎或分裂。一个选择适当材料的标准是选择密度超过19g/cc的材料。这些合适的材料包括例如钢、铝、镍、黄铜、铜之类的金属，和其它韧性金属，仅举这些例子。材料的选择不限于金属，而是可以包括沙、似水泥的材料、水、木材、塑料、和聚合材料。而且，弹架16的材料没必要是一致的，而是可以由两种或更多种不同类型的材料的组合组成。例如，弹架16可以由不同层的材料组成，其中沿着它的高度方向材料不同。同样，高抗张性带子(未示出)可以被插入到孔17内以在聚能射孔弹18的周围提供加强的缓冲，而弹架16的剩余部分可以具有比带子低的强度和由此更小的密度。应当指出弹架16不需要是实心的而是在其中可以形成有多个空隙。实施例可以是由多个结构上互相连接的股或网状连接物组成的基体。更具体的实施例包括如附图4A所示的蜂窝结构16a和如附图4B所示的褶状结构16b。
附图2描绘的实施例是以透视的分解图的形式显示的。在附图2中，弹架16具有形成在其中并垂直于弹架16的轴线28的孔17。孔17延伸穿过弹架16并且被做成匹配射孔弹罩34的壁38和底部部分36的轮廓的轮廓。从而孔17在它们的内边界内嵌入式地容纳聚能射孔弹18。虽然所示的孔17在弹架16上的大约相同径向位置处排列，但是孔17可以在弹架16的任何径向位置处形成。当具有多个射孔系统时，聚能射孔弹18可以被“定相”，使得它们被布置在射孔系统6内以在聚能射孔弹16周围的多个径向位置处引爆。具体的聚能射孔弹相位依赖于射孔系统6的具体的应用，因此可获得多种相位分布的方案。也在附图2中示出的包括在射孔系统6内的是连接射孔系统6的相邻段的连接器22。也示出的是止动环24，它被用于保证弹架16正确的定向，以便聚能射孔弹18与它们各自的扇形结构12对准。
相邻的孔17之间必须有足够量的弹架材料用于抵挡炸药的爆炸力，从而防止弹架16破碎。相邻的孔17之间的距离取决于形成弹架16所使用材料的类型。由低屈服强度材料形成的弹架16比由高屈服强度材料形成的弹架16在相邻的孔17之间需要更多的材料。所属领域的技术人员不需要过度的试验就可以根据用于制造弹架16的每种具体的材料确定所需要的距离。同样地，在弹架16的末端和最外面的聚能射孔弹18之间必须有一定量的弹架16的材料以支持弹架末端的弹力，从而在聚能射孔弹18引爆期间防止产生碎片。需要多少材料取决于材料的物理特性-这也可以由所属领域的技术人员确定。
可以在弹架16上的每个孔17之间形成阻抗屏障26。阻抗屏障26是切出或形成为垂直于弹架16的轴线28的槽。这些槽可以简单地是存在于孔17之间充满空气的空隙，或者可以充满例如棉花、橡胶、聚合物合成物、塑料、软木、毡或类似材料的减震材料。阻抗屏障26的存在适于消除可从一个聚能射孔弹18向相邻的聚能射孔弹18传递的冲击波干扰。弹架(16a，16b)另外的的实施例显示在附图3A和3B中。至于附图3A，弹架16a具有六边形的横截面，外部边界由末端彼此连接的平面15组成。孔17在平面15的范围内形成，并可根据特殊的射孔系统6的设计需要而布置成任何型式。同样，附图3A的实施例不限于六面形部件，而是可以包括任何数目的平面15。现在参看附图3B的实施例，其中所示的弹架16b在沿其长度的方向上具有排列成螺旋型式的相关的孔17。其它的孔型式包括螺旋状的排列，多个螺旋，交错排列的，高密度的，或任何其它已知的或以后发展的孔排列方式。
附图5显示了由模块段(42a，42b，42c)组成的弹架16a。这里段(42a，42b，42c)中的每个都具有穿过它的上面44而形成的孔17a(用虚线表示)。如图所示，每个孔17a具有放置在孔内的聚能射孔弹18。每个段(42a，42b，42c)的侧面46被弯曲并形成为可装到枪管或枪体的内部。段(42a，42b，42c)的远端面48基本是平面。每个段通过销(未示出)、焊接或者其它适合于紧固所述段的任何类型的紧固方式而与每个相邻的段优选地固定在一起。尽管附图5中的段(42a，42b，42c)被显示成相位结构，但是段(42a，42b，42c)可以被对齐以便它们各自的聚能射孔弹34可以在一条直线上被引爆。应当指出上面所讨论的体积值适用于每个单个的段，或者作为整体的这些段。例如，段42a和它相应的聚能射孔弹34a的组合体积可为段42a所占据的枪壳部分的内部空间的全部空的体积的大约80％到大约20％。因此占据在段42a和它相应的聚能射孔弹34之间的空间的自由体积为段42a所占据的枪壳部分的内部空间的全部空的体积的大约20％到大约80％。同样地，所有段(42a，42b，42c)和它们各自的聚能射孔弹34的组合体积可占这些段(42a，42b，42c)所占据的枪壳部分的内部空间的全部空的体积的大约80％到大约20％。因此占据在段(42a，42b，42c)和它们相应的聚能射孔弹34之间的空间的自由体积占段(42a，42b，42c)所占据的枪壳部分的内部空间的全部空的体积的大约20％到大约80％。此外，对单个段和当组合为整体时，附图5的实施例包括固体体积与自由体积的比例为65％比35％。
虽然引爆这里公开的射孔系统6的聚能射孔弹18会导致对组成部分的一些损害，但是碎片部分被控制在枪壳10内。因而，当射孔系统6在使用后从井筒中收回时，没有碎片或者具有可忽略数量的碎片残存在井筒内。因此，本装置的使用大大减少了由于破碎的组成部分造成的堵塞的威胁。
因此，这里描述的本发明非常适合实现所提到的目的并达到所提到的目标和优点，以及在其固有的其它优势。虽然本发明现在优选的实施例为了公开的目的已经被给出，但是为了取得期望的结果可在步骤细节中存在大量的变化。例如，这里描述的发明适合于任何聚能射孔弹相位和任何密度的聚能射孔弹。此外，本发明可以用在任何尺寸的射孔枪上。这些和其它类似的改变很容易被本领域的技术人员想到，并意在包含在这里公开的本发明的精神内和所附的权利要求书的范围内。