專利名稱：用于超高侵蝕性環(huán)境的水力噴射工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及采礦和地下鉆井巖層。更具體地，本發(fā)明涉及一種改善的方法和系統(tǒng)，用于穿孔、開(kāi)槽和切割鋼鐵和地下巖石；還用于破碎地下巖層，以增加來(lái)自其中的期望的流體的產(chǎn)量。
背景技術(shù)：
噴射工具用于許多不同的工業(yè)中，具有多種不同的應(yīng)用。例如，噴射工具用于例如打孔和水力壓裂的地下操作中。
水力壓裂通常被采用，以增加來(lái)自被井筒穿透的地下巖層的烴的產(chǎn)量。典型地，在進(jìn)行水力壓裂處理時(shí)，在有井套管的情形中，例如出現(xiàn)在靠近將要被處理的地層的井的垂直截面中，井套管被穿孔。使用爆炸性裝置或水力(hydrajetting)噴射裝置可以進(jìn)行這種穿孔操作。在僅巖層的一部分作為單個(gè)級(jí)被壓裂的情形中，所述部分之后通過(guò)使用傳統(tǒng)的封隔器等與巖層的其它被穿孔的部分隔離開(kāi)，壓裂流體通過(guò)井套管中的孔被抽取到井筒中和巖層的被隔離開(kāi)的部分，以一定速度和壓力被增加，使得裂縫被形成在巖層中和在巖層中延伸。支撐劑可以懸浮在壓裂流體中，該壓裂流體沉積在裂縫中。支撐劑起到防止裂縫封閉的作用，從而在巖層中提供了傳導(dǎo)通道，通過(guò)該通道，生成的流體可輕易地流到井筒中。在特定的巖層中，為了充分地為多個(gè)巖層帶或整個(gè)巖層提供裂縫，重復(fù)這一過(guò)程。
可以在美國(guó)專利No. 5，765，642中看到用于壓裂巖層的一個(gè)方法，在此通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文中，通過(guò)該方法，水力噴射工具被采用，以足夠形成空穴的壓力通過(guò)噴嘴向地下巖層噴射流體，并使用空穴中的停滯壓力壓裂巖層。
油田應(yīng)用中的水力噴射通常需要長(zhǎng)的持續(xù)噴射時(shí)間，用于切割大量的套管柱和穿孔。在如美國(guó)專利No. 5,765,642所描述的采用水力噴射工具形成空穴(cavity)和使用空穴中的停滯壓力壓裂巖層時(shí)，這個(gè)問(wèn)題被
極大地放大。這是因?yàn)閿?shù)百萬(wàn)磅的支撐劑可能以非常高的速度流過(guò)水力噴射工具，用于形成空穴和壓裂巖層。對(duì)于承受在噴射過(guò)程中所遇到的磨損力的一個(gè)方法是由超硬材料制造噴射工具。然而，噴射工具不能用非常硬的材料制成以防止侵蝕，因?yàn)檫@樣的材料是易碎的和在噴射操作中或在噴射工具移入和移出噴射位置時(shí)將破碎。因此，現(xiàn)有的噴射工具包括圓柱形的結(jié)構(gòu)，其不能承受磨損力。在一些應(yīng)用中，流體噴嘴由堅(jiān)硬材料制成，其被安裝在圓柱形結(jié)構(gòu)上。因此，現(xiàn)有的水力噴射方法的一個(gè)缺點(diǎn)是在操作期間噴射工具被侵蝕。為了處理這種侵蝕，噴射工具必須被從鉆孔中拔出，進(jìn)行修理或更換。拔出噴射工具將是昂貴的并且還可能導(dǎo)致工作失效。在這樣的情形中，將期望具有能夠承受侵蝕力的沖擊的方法和工具，用于傳送流體至將要被壓裂的巖層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要涉及采礦和地下鉆井巖層。更具體地，本發(fā)明涉及改善的方法和系統(tǒng)，用于穿孔、開(kāi)槽和切割鋼鐵和地下巖石，還用于壓裂地下巖層以增大來(lái)自其中的期望流體的產(chǎn)量。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及包括套筒的耐磨噴射工具。套筒由硬
度大于75 Rockwell A (洛氏硬度A級(jí))的材料構(gòu)成，并且在其壁上具有至少一個(gè)孔。流過(guò)套筒的流體可以從孔中流出。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種流體噴射裝置，其具有硬度大于75 Rockwell A的圓柱形主體。流過(guò)圓柱形主體的流體通過(guò)圓柱形主體中的口射出。
在特定實(shí)施例中，本發(fā)明可包括包封噴射裝置的支持裝置。支持裝置包括孔，其與套筒中的孔對(duì)齊，用于允許流體從套筒中射出。
根據(jù)隨后結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選的實(shí)施例的描述，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出諸多變化，但是這些變化都在本發(fā)明的精神內(nèi)。


這些附圖示出本發(fā)明的一些實(shí)施例的特定方面，并且不應(yīng)當(dāng)用于限制或限定本發(fā)明。
圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的水力噴射工具。
圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)致?lián)p壞的因素對(duì)水力噴射工具的影響。圖3示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的使用水力噴射工具的直立噴射和傾斜噴射的結(jié)果。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的改善的噴射工具的切割視圖，示出堅(jiān)固的套筒、支撐裝置和相關(guān)的部件。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的導(dǎo)致?lián)p壞的因素對(duì)改善的噴射
工具的影響。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明主要涉及采礦和地下鉆井巖層。更具體地，本發(fā)明涉及一種
改善的方法和系統(tǒng)，用于穿孔、開(kāi)槽和切割鋼鐵和地下巖石；還用于破碎地下巖層，以增加來(lái)自其中的期望的流體的產(chǎn)量。
在穿透特定巖層的鉆井中，特別是偏斜的鉆井，通常期望產(chǎn)生許多結(jié)構(gòu)，包括穿孔、小裂縫、大裂縫或其組合。時(shí)常，由通過(guò)使用水力噴射工具進(jìn)行的操作產(chǎn)生這些結(jié)構(gòu)。
如美國(guó)專利No. 5，765，642中所討論的，在將水力噴射工具用作壓裂工具時(shí)遇到了一個(gè)最嚴(yán)峻的噴射應(yīng)用。在壓裂過(guò)程中，壓裂工具設(shè)置在將要壓裂的巖層中，流體之后以足夠切穿套管和水泥護(hù)層(cementsheath)和在其中形成空穴的壓力通過(guò)流體噴嘴噴射到巖層上。另外，所述壓力必須足夠高，以能夠通過(guò)空穴中的停滯壓力壓裂巖層。由于流體必需沿大致與引入的噴射流體的方向相反的方向從空穴中流出，在空穴中捕獲了噴射的流體，所以在將要壓裂的巖層中的空穴的頂端處產(chǎn)生高停滯壓力。在空穴的頂端處施加到巖層上的高壓力使得裂紋被形成和在巖層中延伸相當(dāng)距離。在特定情形中，支撐劑懸浮在被沉積在裂紋中的壓裂流體中。支撐劑可以是粒狀的物質(zhì)，例如沙粒、陶瓷或礬土或其它的人造的顆粒、胡桃殼、或承載在壓裂流體的懸浮液中的其它材料。支撐劑起到了防止裂紋封閉的作用，從而在巖層中提供了傳導(dǎo)通道，通過(guò)該通道，產(chǎn)生的流體可輕易地流到井筒中。支撐劑的存在還提高了噴射 流體的侵蝕作用。
為了根據(jù)本發(fā)明將如上述地形成的裂紋進(jìn)一步地延伸到巖層中，壓 裂流體通過(guò)壓裂工具被抽取，并且進(jìn)入到井筒中，以升高施加到巖層上 的外圍流體壓力。以足以將裂紋從井筒至巖層延伸額外的距離的速度和 高壓力，將流體抽取到裂縫中。
現(xiàn)在參考附圖，對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。轉(zhuǎn)向圖1，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù) 的水力噴射工具總的由附圖標(biāo)記100來(lái)表示。噴嘴130如圖1所顯示可
以延伸超過(guò)外壁的表面，或噴嘴130可僅延伸到水力噴射工具100的外 壁的表面上。根據(jù)將要壓裂的巖層噴嘴130的方向可改變。噴嘴130具 有用作噴嘴開(kāi)口 150的外部開(kāi)口，該開(kāi)口允許流體通過(guò)噴嘴130從水力 噴射工具100的內(nèi)側(cè)流出。典型地，噴嘴130可以由能夠承受與流體壓 裂、壓裂或其它處理流體的磨損性質(zhì)以及所使用的任何支撐劑或其它壓 裂劑相關(guān)的應(yīng)力的任何材料構(gòu)成。可以用于構(gòu)造噴嘴130的材料可以包 括，但不限于碳化鎢、金剛石復(fù)合物和特定的陶瓷。
雖然噴嘴130通常由耐磨材料(例如碳化鎢或其它特定陶瓷)構(gòu) 成，但這樣的材料昂貴和易碎。因此，全部都由這樣的物質(zhì)形成的工 具，將易于破碎，因?yàn)樗荒艹惺茉谒蛳乱浦翆⒁獕毫训膱?chǎng)所上時(shí)所 遇到的力。因此，水力噴射工具100的主體典型地由鋼鐵或類似材料制 成，雖然它們不易碎，但不足夠強(qiáng)以承受在水力噴射過(guò)程中遇到的磨損 力。
圖2中顯示的是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)致?lián)p壞的因素對(duì)水力噴射工具的 影響。箭頭被用于顯示在流體靠近和通過(guò)噴嘴開(kāi)口 150從噴嘴130流出 時(shí)的流體流動(dòng)的方向。典型地，在流體從噴嘴130流出時(shí)，存在有損壞 水力噴射工具100的三種不同的現(xiàn)象。
第一，隨著流體接近噴嘴開(kāi)口 150，它傾向于快速地轉(zhuǎn)過(guò)拐角，以通 過(guò)噴嘴開(kāi)口 150從噴嘴130流出。隨著流體轉(zhuǎn)向以從噴嘴開(kāi)口 150流 出，流體中的一些如箭頭210顯示地過(guò)沖(overshoot)。這種流體過(guò)沖還 導(dǎo)致在水力噴射工具100的內(nèi)壁上的侵蝕215。
第二，水力噴射工具100的微小運(yùn)動(dòng)可以起動(dòng)科里 利(Coriolis)旋渦效應(yīng)。水力噴射工具100在噴射過(guò)程不是完全靜止的。例如，由于 由噴射過(guò)程所導(dǎo)致的震動(dòng)，工具可能移動(dòng)。如果水力噴射工具100在噴 射過(guò)程中轉(zhuǎn)向，那么它將導(dǎo)致流體開(kāi)始產(chǎn)生旋渦，從而產(chǎn)生龍巻風(fēng)
(tornado)效應(yīng)240。隨著流體產(chǎn)生旋渦240，它進(jìn)一步地沿著周邊侵蝕 水力噴射工具100的內(nèi)壁245。
對(duì)水力噴射工具100的損壞的第三個(gè)主要來(lái)源由從穿孔255射出的 流體250的反射產(chǎn)生。在流體從穿孔反射230時(shí)，它侵蝕235水力噴射 工具IOO。如上所述的，在一些水力噴射工具中，噴嘴開(kāi)口 150的方向可 以依賴于將要被壓裂的巖層來(lái)改變。由流體的反射導(dǎo)致的損壞被在圖3 中進(jìn)行了更詳細(xì)地顯示。圖3中示出的是顯示噴嘴300、 315在不同角度 時(shí)由于從穿孔255反射的流體對(duì)水力噴射工具100的損壞的視圖。水力 噴射工具100上的流體的反射，在噴嘴300直接地將流體噴射305到穿 孔255中時(shí)，是最小的。然而，在這個(gè)角度沿與噴射305的方向相反的 方向運(yùn)動(dòng)的回濺流體310降低了噴射305的效力，導(dǎo)致穿孔255的無(wú)效 切割。噴射300還降低了回濺流體310損壞噴嘴的流體出口附近的工具 的效力。工具上的大塊的侵蝕235仍然存在于噴嘴的周邊附近。另一方 面，以一角度施加噴射320使得切割過(guò)程高效。然而，由于傾斜噴嘴 315，被反射到水力噴射工具100上的流體325的作用由于回濺流體325 未受阻而增加。因?yàn)榱黧w325以全速回射到水力噴射工具100上，所以 它將在很短的時(shí)間內(nèi)切割330水力噴射工具。
圖4顯示的是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的改進(jìn)的噴射工具的切割視 圖，其總的由附圖標(biāo)記400來(lái)表示。改進(jìn)的噴射工具400包括堅(jiān)固的套 筒440，其包括多個(gè)硬材料部件415、 420和425。硬材料部件由硬度大 于75 Rockwell A的材料制成。可用于制造硬材料部件415、 420、 425的
材料包括但不限于碳化物或其它對(duì)磨損力具有高抵抗力的陶瓷。制造硬 材料415、 420和425所使用的碳化物可以是所有等級(jí)，且可以是具有不 同類型的粘合劑或沒(méi)有粘合劑的碳化物。在一個(gè)實(shí)施例中，具有粘合劑 的碳化物用于制造硬材料部件415、 420和425，粘合劑可以由多種適合 的材料制成，包括但不限于鉬和鈷。雖然示例性的堅(jiān)固套筒包括三個(gè)硬 材料部件415、 420和425，但是依賴于噴射工具400的期望的長(zhǎng)度和例如將要壓裂的巖層的性質(zhì)的其它因素，可以使用不同數(shù)量的硬材料部 件，受益于本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。
如上所述，例如碳化物或其它陶瓷的適合的硬材料是易碎的和容易
碎裂。通過(guò)將堅(jiān)固的套筒440包封在一側(cè)上的第一支持裝置405和另一 側(cè)上的第二支持裝置410之間，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。支持裝置405、 410用 作堅(jiān)固的套筒440的外側(cè)上的載體和犧牲體。支持裝置405、 410的主要 目的是保護(hù)堅(jiān)固的套筒440，防止其在噴射過(guò)程中和在工具被移至期望的 位置上和從期望的位置返回時(shí)碎裂。支持裝置可以由多種材料制成，包 括但不限于鋼鐵、玻璃纖維或其它適合的材料。
在示例性的實(shí)施例中，硬材料部件420中的一個(gè)包括孔430。還在支 持裝置405、 410的主體上產(chǎn)生孔435，其被對(duì)齊以匹配堅(jiān)固的套筒440 中的孔?？椎臄?shù)量和孔被設(shè)置的角度，可以依賴于巖層的性質(zhì)和其它相 關(guān)的因素進(jìn)行變化，用于獲得期望的性能。因?yàn)榭字苯有纬稍趪娚涔ぞ?400的主體中，所以不需要使用噴嘴，流體可以通過(guò)壁中的孔從噴射工具 400流出。
圖5顯示的是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的導(dǎo)致?lián)p壞的因素對(duì)改進(jìn)的 噴射工具400的影響。流體500流過(guò)改進(jìn)的噴射工具400和通過(guò)噴射工 具400的壁中的孔435流出。損壞的原因與相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行描述的 相同，即，流體快速地轉(zhuǎn)過(guò)拐角520，流體過(guò)沖510，流體的Coriolis旋 渦540和來(lái)自穿孔255的流體的反射530。
然而，因?yàn)閳?jiān)固的套筒440由硬材料構(gòu)成，它將不會(huì)被轉(zhuǎn)過(guò)拐角520 的流體、Coriolis旋渦540或過(guò)沖流體510侵蝕。另外，雖然來(lái)自穿孔 255的流體530的反射沖擊支持裝置405和侵蝕535它，但是這種侵蝕不 會(huì)影響噴射工具400的性能。具體地，雖然反射的流體530可能完全地 侵蝕掉支持裝置405，但是它不能侵蝕在它下面的硬材料，并且因此不能 影響噴射機(jī)構(gòu)的操作，該噴射機(jī)構(gòu)由形成堅(jiān)固套筒440的硬材料構(gòu)成。 支持裝置405的主要目的是防止堅(jiān)固的套筒440的破碎，支持裝置405 可以執(zhí)行所述功能，盡管其表面的一部分被反射的流體530侵蝕535。因 此，改進(jìn)的噴射工具400可以承受長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的噴射，不需要從鉆孔中 移除用于部件更換，直到作業(yè)被完成。另外，由于支持裝置由便宜的材料制成和可以輕易地與堅(jiān)固的套筒440分離開(kāi)，所以可以通過(guò)更換它們 輕易地修理對(duì)支持裝置405、 410的任何損壞。
雖然在地下巖層的水力噴射和壓裂的背景下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行以上描 述，但是受益于本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)理解，上 述改進(jìn)的噴射工具可以用于許多其它的應(yīng)用和工業(yè)中。
因此，本發(fā)明非常適合于進(jìn)行所述目的和實(shí)現(xiàn)所提及的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn) 以及其本身固有的那些優(yōu)點(diǎn)。盡管已經(jīng)通過(guò)參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例 對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了圖示和描述，但是這些參考不是意味著對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限 制，也不暗示這種限制。受益于本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，相關(guān)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員能夠想到，本發(fā)明能夠在形式和功能上進(jìn)行各種修改、改變和等 價(jià)替換。所圖示和描述的本發(fā)明的實(shí)施例僅是示例性的，不是窮盡本發(fā) 明的范圍。因此，本發(fā)明僅受限制于在所有方面充分考慮了對(duì)等價(jià)物的 認(rèn)識(shí)的附屬的權(quán)利要求的精神和范圍。權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)具有它們普通 的、通常的意思，除非另外地由專利權(quán)人明確地和清楚地所限定。
權(quán)利要求
1.一種噴射工具，包括套筒，其具有至少一個(gè)在所述套筒的壁中的孔；其中，所述套筒包括硬度大于75洛氏硬度A級(jí)的材料；和其中在所述套筒中流動(dòng)的流體通過(guò)所述孔流出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的噴射工具，其中，所述套筒是圓柱形的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射工具，其中，所述材料包括陶瓷。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴射工具，其中，所述陶瓷包括碳化物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴射工具，其中，所述碳化物包括沒(méi)有粘 合劑的碳化物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的噴射工具，其中，所述碳化物包括具有粘 合劑的碳化物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的噴射工具，其中，所述粘合劑是鈷或鉬中 的一種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射工具，其中，所述噴射工具是水力噴 射工具。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射工具，其中，所述套筒被包封在支持 裝置中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的噴射工具，其中，所述支持裝置包括第一 部件和第二部件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的噴射工具，其中，所述支持裝置中的孔與 主體中的孔對(duì)齊。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的噴射工具，其中，所述支持裝置與主體是 可分離的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射工具，其中，所述材料的硬度大于 80洛氏硬度A級(jí)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴射工具，其中，所述噴射工具是壓裂工具。
15. —種流體噴射裝置，包括圓柱形主體；其中，所述圓柱形主體具有大于75洛氏硬度A級(jí)的硬度； 在所述圓柱形主體中的口；其中，流過(guò)所述圓柱形主體的流體通過(guò)所述口流出。
16. —種噴射裝置，包括 支持裝置，其中形成有至少一個(gè)孔； 至少一個(gè)插入件，其包封在所述支持裝置中；其中，所述插入件具有大于75洛氏硬度A級(jí)的硬度；所述插入件具有形成在其中的至少一個(gè)孔；其中，所述插入件中的孔與所述支持裝置中的孔對(duì)齊。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的噴射裝置，其中，所述插入件包括陶瓷。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴射裝置，其中，所述陶瓷包括碳化
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的噴射裝置，其中，所述支持裝置與所述插入件是可分離的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的噴射裝置，其中，所述支持裝置包括 第一部件和第二部件，其中，所述第一部件和第二部件相互配合以包封 所述插入件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改善的方法和系統(tǒng)，用于穿孔、開(kāi)槽和切割鋼鐵和地下巖石，另外還用于壓裂地下巖層以增加來(lái)自其中的期望的流體的產(chǎn)量。本發(fā)明涉及具有由硬材料構(gòu)成的套筒的流體噴射裝置。套筒包括至少一個(gè)孔，流過(guò)噴射裝置的流體通過(guò)套筒中的孔射出。
文檔編號(hào)E21B43/26GK101680290SQ200880016243
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者吉姆·B·瑟亞特馬德亞 申請(qǐng)人:哈利伯頓能源服務(wù)公司