经改进的工具

摘要

描述了一种用于割断目标的割断工具。所述割断工具包括：外壳；多个聚焦能量体，每个聚焦能量体适于沿优选方向释放能量；以及触发机构，其适于引爆所述聚焦能量体。所述聚焦能量体被对准使得当冲击包括材料的目标时，所述聚焦能量体中的一个所释放的能量与所述聚焦能量体中的另一个所释放的能量协作，以在所述目标材料内建立分离力。

权利要求

1.一种用于割断目标的割断工具，所述割断工具包括：

外壳；

多个聚焦能量体，所述多个聚焦能量体安装在外壳内；以及

触发机构，其适于引爆所述多个聚焦能量体；

其中，所述多个聚焦能量体被对准使得当冲击包括材料的目标时，由所述多个聚焦能量体中的一个所释放的能量与由所述多个聚焦能量体中的另一个所释放的能量协作，以在目标材料内建立分离力，其中，所述目标是管状元件，所述多个聚焦能量体中的每一个所释放的能量在不同位置处围绕所述目标指向与所述目标的内表面相切的方向，所述多个聚焦能量体中的每一个被对准使得爆炸时释放的能量指向一轨迹，使得在不同位置处在目标的内表面处或附近能量耗尽。

2.如权利要求1所述的割断工具，其中，在使用中，所述多个聚焦能量体中的每个聚焦能量体适于在冲击目标时移置目标材料。

3.如权利要求1所述的割断工具，其中，在爆炸时，由所述多个聚焦能量体中的每个能量体所释放的能量呈冲击波的形式。

4.如权利要求1所述的割断工具，其中，由所述多个聚焦能量体中的每个聚焦能量体所释放的能量呈被推进物体的形式。

5.如权利要求1所述的割断工具，其中，所述多个聚焦能量体中的至少一些聚焦能量体是聚能装药。

6.如权利要求5所述的割断工具，其中，所述聚能装药是线性聚能装药。

7.如权利要求5所述的割断工具，其中，所述聚能装药是穿孔装药。

8.如权利要求5所述的割断工具，其中，每个聚能装药包括爆炸性材料和装药内衬。

9.如权利要求8所述的割断工具，其中，所述装药内衬是金属。

10.如权利要求1所述的割断工具，其中，由所述多个聚焦能量体中的每一个所释放的能量适于在目标位置处攻击所述目标。

11.如权利要求1所述的割断工具，其中，由所述多个聚焦能量体中的至少一个聚焦能量体所释放的能量适于在与所述多个聚焦能量体中的至少一个其他能量体不同的目标位置处攻击所述目标。

12.如权利要求1所述的割断工具，其中，所述多个聚焦能量体中的第一聚焦能量体在使用中被对准使得由所述第一聚焦能量体所释放的能量在第一目标位置处攻击所述目标，所述多个聚焦能量体中的第二聚焦能量体在使用中被对准使得由所述第二聚焦能量体所释放的能量在第二目标位置处攻击所述目标。

13.如权利要求12所述的割断工具，其中，所述第一目标位置与所述第二目标位置分隔开。

14.如权利要求1所述的割断工具，其中，所述多个聚焦能量体包括至少一个第一层聚能装药和至少一个第二层聚能装药，所述第一层聚能装药和第二层聚能装药以类似方式但沿相反方向向所述目标发射。

15.如权利要求1所述的割断工具，其中，所述目标是井中的工作管柱。

16.如权利要求1所述的割断工具，其中，所述目标是海底井中的工作管柱。

说明书

经改进的工具

技术领域

[0001] 本发明涉及用于割断目标的工具。具体但非排他性地，本发明涉及用于割断管状元件的工具。

背景技术

[0002] 在烃类抽提操作期间，安装设备被安装用于在发生灾难性故障时防止危害人命和环境。对于海底烃类抽提尤其是这样，在海底烃类抽提中，水的存在可将污染物运载远离油井数千英里，可能严重危害环境。

[0003] 用于关闭油井的主要屏障是位于井口上的防喷器。对于海底井，立管将石油钻塔联接到防喷器，立管容许钻孔和完井工具通过防喷器从石油钻塔到达油井。在发生灾难时，有益的是能够割断立管内的钻管或类似装置，以便，首先，允许成功地从井口拆卸钻塔，其次，容许被割断的管状结构下落到防喷器的封闭机构下方，从而容许防喷器更容易地闭合。

[0004] 先前已经描述过利用装药(charge)切割管状结构。这些装药通常呈线性聚能装药(linear shaped charge)的形式，其产生用于待割断目标的塑化金属片。

[0005] 但是已经发现，线性聚能装药，尤其是当封闭在管状目标上时，在它们穿过装药和管状元件之间的介质时损失能量，并且当装药材料会聚在目标上时，相邻装药材料的合并会导致对目标的冲击不均匀，结果产生不均匀和不一致的切割。为了克服这些问题，需要大量炸药，这使得过程比本来更加危险和昂贵。

[0006] 此外，当使用多个聚能装药时，在很靠近装药处存在爆炸问题。多个装药的常规爆炸依次有效地发生，并且这可对目标的切割具有不利影响，该影响达到了可能不能实现割断的程度。所述不利影响可由一起作用或分不同次冲击目标的材料喷射流引起。此外，通过触发机构进行的非同步爆炸可导致一个装药产生冲击波在爆炸信号到达相邻装药之前到达并触发相邻装药。

发明内容

[0007] 根据本发明的第一方面，提供一种用于割断目标的割断工具，所述割断工具包括：

[0008] 外壳；

[0009] 多个聚焦能量体(focused energetics)，每个聚焦能量体适于沿优选方向释放能量；以及

[0010] 触发机构，其适于引爆所述聚焦能量体；

[0011] 其中，所述聚焦能量体被对准使得当冲击包括材料的目标时，所述聚焦能量体中的一个所释放的能量与所述聚焦能量体中的另一个所释放的能量协作，以在所述目标材料内建立分离力。

[0012] 在本发明的至少一个实施例中，对准所述聚焦能量体，使得当冲击目标时，多个聚焦能量体中每个所释放的能量协作，以在所述目标内建立分离力，增加了能量体能量的利用率。

[0013] 每个能量体可适于在冲击目标时移置目标材料。通过移置而非破坏目标材料，可在目标材料内建立可用于辅助目标材料的分离的应力。

[0014] 在爆炸时，每个能量体所释放的能量可呈冲击波的形式。

[0015] 额外地或替代性地，每个能量体所释放的能量可呈被推进物体的形式。

[0016] 具体地，所述能量体中的至少一些可以是聚能装药。

[0017] 所述聚能装药可以是线性聚能装药。

[0018] 替代性地，所述聚能装药是穿孔装药。已经发现，向目标发射穿孔装药比发射线性装药更有效。穿孔装药，如它们的名字所暗示的，适于打穿目标，并且当爆炸时形成矛状材料喷射流(由装药内衬形成的)，而非片。矛更容易地穿过装药支承件和目标之间的介质，容许材料喷射流保留更多用于切割用途的能量。

[0019] 每个聚能装药可包括爆炸性材料和装药内衬。在本实施例中，在爆炸时，爆炸性材料产生朝向目标推进经塑化形式的装药内衬的冲击波，装药内衬形成材料喷射流。

[0020] 在一些实施例中，所述装药内衬是金属，材料喷射流是塑化金属喷射流。

[0021] 每个聚焦能量体所释放的能量适于在目标位置处攻击所述目标。

[0022] 在一些实施例中，至少一个聚焦能量体所释放的能量可适于在与至少一个其他能量体不同的目标位置处攻击所述目标。

[0023] 在至少一些实施例中，第一聚焦能量体在使用中被对准使得所述第一聚焦能量体所释放的能量在第一目标位置处攻击所述目标，第二聚焦能量体在使用中被对准使得所述第二聚焦能量体所释放的能量在第二目标位置处攻击所述目标。

[0024] 在一些实施例中，所述第一目标位置可与所述第二位置分隔开。

[0025] 所述第一聚焦能量体所释放的能量可适于产生通过目标外表面的第一孔眼，并且所述第二聚焦能量体所释放的能量可适于产生通过目标外表面的第二孔眼。

[0026] 所述第一孔眼通过材料桥与所述第二孔眼分开。惊人的是，已经发现，为了实现分离管状元件，聚焦能量体所释放的能量不需要冲击材料表面，使得所产生的孔眼重合以产生狭槽效应(slot effect)。反而，已经发现，第一聚能装药爆炸所产生的能量和第二聚能装药所产生的能量被传递到材料并扩展穿过材料桥，在材料桥中产生剪切力、压缩力和扭转力，这些力撕开材料桥的分子结构，在材料中产生从第一聚焦能量体所产生的孔眼至第二聚焦能量体所产生的孔眼的连续间隙。

[0027] 在本实施例中，至少一个聚能装药可被对准使得所述装药爆炸时产生的材料喷射流沿不垂直于所述目标表面的方向行进。

[0028] 多个聚能装药可被对准使得所述装药爆炸时产生的材料喷射流沿不垂直于所述目标表面的方向行进。

[0029] 至少一个聚能装药可被对准使得爆炸时释放的能量在使用中指向所述目标的轴线。

[0030] 额外地或替代性地，所述目标是管状元件，至少一个聚焦能量体可被对准使得爆炸时释放的能量指向与目标内表面相切的方向。

[0031] 在一些实施例中，至少一个聚焦能量体被对准使得爆炸时释放的能量指向一轨迹，该轨迹使得当所述冲击波处于制成所述目标的材料内时例如所述冲击波的能量耗尽。

[0032] 在一些实施例中，至少一个聚焦能量体被对准使得爆炸时释放的能量指向一轨迹，该轨迹使得所述材料喷射流的能量在所述目标内表面处或附近耗尽。

[0033] 在一些实施例中，当所述目标是管状结构时，所述聚焦能量体中的至少一些可被对准使得所述/每个聚焦能量体爆炸时释放的能量指向与所述目标内表面相切的方向。通过与目标内表面相切地引导爆炸时释放的能量，最大化了材料喷射流行进穿过目标的距离，由此最大化材料喷射流的能量所造成是破坏。

[0034] 所述聚焦能量体可被对准使得一个聚焦能量体爆炸时所释放的能量与另一个聚焦能量体爆炸时所释放的能量协作，以在冲击时在所述目标内产生分离力。

[0035] 在一个实施例中，所述聚焦能量体被对准使得所述能量体爆炸时所释放的能量冲击所述目标，以在所述目标内产生轴向拉力。

[0036] 在其他实施例中，所述聚焦能量体被对准使得所述能量体爆炸时所释放的能量冲击所述目标，以在所述目标内产生旋转拉力。

[0037] 所述聚焦能量体可被组合和对准使得一组聚焦能量体爆炸时所释放的能量与另一组聚焦能量体爆炸时所释放的能量协作，以在冲击时在所述目标内产生分离力。

[0038] 在优选实施例中，多个能量体是多个聚能装药，具体是穿孔装药。在本实施例中，爆炸时产生的能量是朝向目标推进作为塑化材料喷射流的装药内衬的冲击波。

[0039] 所述割断工具还可包括能量体支承件，其在使用中适于被放置在带割断的所述目标附近，所述能量体支承件适于接纳所述能量体。

[0040] 在本实施例中，所述能量体支承件可以是装药支承件。

[0041] 所述聚能装药可被布置在所述装药支承件中的分层阵列中。

[0042] 所述分层阵列可适于容纳两层聚能装药。

[0043] 在一个实施例中，具有至少一个第一层聚能装药和至少一个第二层聚能装药。

[0044] 可具有在所述层的至少一个中具有多个聚能装药。

[0045] 所述装药支承件可适于至少部分地包围所述目标。

[0046] 在使用中，所述装药支承件可适于完全包围所述目标。

[0047] 在至少一些实施例中，目标是管状元件。

[0048] 在特定实施例中，管状元件是钻管。

[0049] 在其他实施例中，管状元件是立管。应该理解，管状元件可以是穿入油井中的任何管状部件，诸如钻环或工具等。

[0050] 替代性地，目标可以是非管状结构。

[0051] 割断工具可限定通孔。

[0052] 所述通孔可适于接纳所述目标。

[0053] 在切割工具限定适于接纳目标的通孔的情况下，所述装药支承件可适于环绕所述目标。

[0054] 在所述装药支承件是环的情况下，每个聚能装药可适于径向向内地引导材料喷射流。

[0055] 每个聚能装药可适于在使用中朝向目标纵向轴线引导材料喷射流。

[0056] 在一层上的所述聚能装药可被对准成，与不同层的所述聚能装药不同地，朝向目标纵向轴线上的不同点引导材料喷射流。

[0057] 在装药支承件适于环绕目标的情况下，所述装药支承件可限定纵向轴线。

[0058] 在优选实施例中，所述装药支承件纵向轴线在使用中与所述目标纵向轴线相同。

[0059] 所述割断工具可包括适于相对于所述聚能装药使所述目标位于中心的中心化装置。中心化结构可用于移动目标，使得目标的纵向轴线与环的纵向轴线基本重合。

[0060] 所述割断工具可包括适于将所述目标位置与井眼环境隔离开的隔离装置。

[0061] 所述割断工具可适于相对于所述井眼环境密封所述目标位置。

[0062] 所述割断工具可包括适于从所述目标位置周围移除井眼介质的移除装置。井眼内的流体和固体可提供极其致密的介质，聚能装药爆炸所释放的材料喷射流必须穿过所述介质。这可显著减少材料喷射流的能量并对其割断目标的能力有不利影响。

[0063] 所述割断工具移除装置可适于用替代性的固体或流体移置所述井眼介质。通过用替代性固体或流体替代井眼介质，所选择的替代性固体或流体可具有较低密度，由此减少材料喷射流传送到目标期间的能量损失。

[0064] 根据本发明的第二方面，提供一种用于割断目标的割断工具，所述割断工具包括：

[0065] 外壳；

[0066] 多个聚能装药；

[0067] 适于在使用中环绕待割断的所述目标的装药支承件，所述装药支承件适于接纳所述聚能装药；

[0068] 触发机构，其适于激活所述聚能装药；以及

[0069] 中心化装置，其适于在使用中产生所述目标和所述装药支承件之间的相对移动，以使所述目标相对于所述装药支承件位于中心。

[0070] 根据本发明的第三方面，提供一种用于支承聚能装药的装药支承件，所述装药支承件具有通孔，所述通孔具有纵向轴线，外壳进一步限定多个穴，每个穴适于接纳聚能装药，所述穴中的至少一个被对准使得在使用中当容纳在所述穴或多个穴内的聚能装药爆炸时，所形成的材料喷射流沿行进方向进行到所述通孔中，所述/每个行进方向被选择成避开所述通孔的纵向轴线。

[0071] 在一个实施例中，其中，多个穴被对准使得在使用中当所述穴中容纳的聚能装药爆炸时，至少一些行进方向被选择层避开通孔纵向轴线并且在目标内产生扭力。

[0072] 根据本发明的第四方面，提供一种割断管状结构的方法，所述方法包括步骤：

[0073] 提供割断工具，所述工具限定通孔，所述通孔接纳待割断的所述管状结构；

[0074] 引爆容纳在割断工具外壳内的多个聚焦能量体，所述聚焦能量体在爆炸时释放能量，一个聚焦能量体的能量与另一个聚焦能量体所释放的能量协作，以在冲击时在目标材料内建立分离力。

[0075] 根据本发明的第五方面，提供一种用于割断目标的割断工具，包括：

[0076] 至少一个聚能装药，所述/每个聚能装药适于在接收到激活信号时爆炸，所述/每个聚能装药适于在爆炸时释放能量，释放能量的第一部分沿第一方向释放，所述第一方向至少部分地由发送到所述/每个聚能装药的所述激活信号决定；以及

[0077] 至少一个触发器，其适于向所述/每个聚能装药发送所述激活信号。

[0078] 在本发明的至少一个方面，提供一种用以割断例如井管状结构的聚能装药，其提供了对割断过程更大的控制，因为装药的形状基本上决定了爆炸时装药释放的能量的方向。

[0079] 所释放的能量可呈冲击波的形式。

[0080] 具体地，所释放的能量可呈材料喷射流的形式。

[0081] 所述材料喷射流可包括高速材料喷射流。

[0082] 所述材料喷射流可包括但不限于金属材料、玻璃材料、陶瓷材料或者能够是任何合适的材料。

[0083] 在一些实施例中，所述材料喷射流可以是多种材料的结合。

[0084] 所释放的能量的所述第一部分可大于爆炸所释放的能量的50％。

[0085] 所释放的能量的所述第一部分可大于爆炸所释放的能量的75％。

[0086] 所述第一方向在使用中可朝向第一目标位置。

[0087] 在爆炸时，所述/每个聚能装药可释放所释放的能量的第二部分，所述第二部分沿第二方向释放。

[0088] 所述第二方向在使用中可朝向第二目标位置，所述第二目标位置不同于所述第一目标位置。

[0089] 所述/每个聚能装药可限定至少一个几何形状。

[0090] 所述/每个聚能装药可限定多个几何形状。

[0091] 所述/每个聚能装药的几何形状可以是圆锥形、椭圆形、直线或任何合适的形状。

[0092] 在优选实施例中，具有多个聚能装药。

[0093] 在具有多个聚能装药的实施例中，每个聚能装药可限定一个几何形状或多个几何形状。

[0094] 在这些实施例中，一个聚能装药可限定与另一个聚能装药不同的一个几何形状或多个几何形状。

[0095] 在存在多个聚能装药的情况下，所述聚能装药被放置成，使得至少一个聚能装药能够与另外至少一个聚能装药相隔离地爆炸。

[0096] 优选的是，确保一个聚能装药的爆炸不会触发相邻聚能装药的爆炸。

[0097] 替代性地或额外地，所述聚能装药的几何形状可被选择成用以远离所述/每个其他聚能装药引导爆炸时释放的能量。

[0098] 在至少一个实施例中，所述聚能装药中的至少一个适于在使用中位于所述目标附近。

[0099] 在一些实施例中，所述聚能装药中的至少一个适于连接到所述目标。

[0100] 所述/每个装药可通过任何合适的装置连接到目标。例如，所述/每个装药可例如粘附到目标上，或者被压入设置在目标上的凹口中。

[0101] 在优选实施例中，所述聚能装药中的至少一个适于与所述目标分隔开。

[0102] 所述割断工具还可包括适于支承所述/每个聚能装药的至少一部分的至少一个装药支承件。

[0103] 所述/每个装药支承件被设置成在使用中用以例如放置所述/每个聚能装药，从而使得所述/每个聚能装药的所述第一方向与所述目标上的所述第一目标位置对齐，从而使得在爆炸时所释放的能量在冲击所述目标时具有最大效果。

[0104] 所述装药支承件可适于支承单个装药。

[0105] 替代性地，所述装药支承件可适于支承多个装药。

[0106] 在一些实施例中，具有多个装药支承件。

[0107] 在这些实施例中，每个装药支承件可适于接纳所述/每个装药的至少一部分。

[0108] 在一些实施例中，可具有与每个聚能装药相关联的装药支承件。替代性地，可具有适于支承多个装药的单个装药支承件。

[0109] 在这些实施例中的一些中以及在其他实施例中，所述/每个装药支承件可限定装药支承件几何形状，所述装药支承件几何形状被选择成用以引导所述聚能装药所释放的能量。

[0110] 所述装药支承件几何形状在使用中可朝向所述目标引导所述聚能装药所释放的能量。

[0111] 替代性地或额外地，所述装药支承件几何形状在使用中可远离未爆炸的聚能装药引导所述聚能装药所释放的能量。

[0112] 控制所释放的能量是重要的，因为所释放的能量并非全都可以指向目标。不能指向目标的能量可触发同一支承件或另一支承件中的另一装药的爆炸。

[0113] 所述装药支承件几何形状可例如限定用于所释放的能量的盘绕路径。

[0114] 在一些实施例中，所述/每个装药支承件几何形状可至少部分地反射所释放的能量。

[0115] 所述/每个装药支承件几何形状可适于吸收被其反射的能量中的至少一些。

[0116] 所述/每个装药支承件可包括聚合物。

[0117] 替代性地，所述/每个装药支承件可包括金属。

[0118] 所述金属可以是钢。

[0119] 替代性地或额外地，所述/每个装药支承件可包括适于减缓所释放的能量的速度的材料。

[0120] 减缓所释放能量的速度会减小意外地引爆相邻装药的可能性。

[0121] 所述/每个装药支承件可限定至少一个装药存储位置。

[0122] 所述/每个装药存储位置可以是穴。

[0123] 所述/每个装药支承件可限定多个穴。

[0124] 割断工具还可包括能量衰减装置。

[0125] 能量衰减装置可被提供用于抑制所释放的能量流。能量衰减装置可适于减慢所释放的能量流。

[0126] 所述能量衰减装置可包括固体、复合材料和/或充气固体。充气固体，诸如泡沫，包括可减慢所释放的能量流的行进的空气穴。复合材料也可提供有益的冲击衰减。

[0127] 所述割断工具还可包括能量阻尼装置。

[0128] 能量阻尼装置可被提供用以在目标已被割断时吸收爆炸之后的剩余能量。

[0129] 所述能量阻尼装置可适于产生气体。

[0130] 可在爆炸之前产生所述气体。

[0131] 所述能量阻尼装置可适于产生所述气体，从而使得当所述/每个聚能装药爆炸时所述气体处于所释放的能量的行进方向周围。

[0132] 可通过燃烧、注入、振动、化学反应或电流产生所述气体。

[0133] 可采用任何合适的产生气体的方法。

[0134] 所述气体可呈气泡形式。气泡可吸收爆炸之后的剩余能量。

[0135] 爆炸所释放的能量可在使用中穿过环境介质，环境介质位于所述/每个聚能装药和待割断目标之间。

[0136] 所述割断工具还可包括优选介质的产生或存储装置。

[0137] 所述优选介质是在能够放置优选介质的情况下适于至少部分地移置环境介质的材料，所述优选介质具有比所述环境介质低的密度。优选的是在流径上具有密度尽可能低的介质，因为介质的密度影响冲击波的能量，被较高密度的材料吸收的能量减少了可用的割断能量。

[0138] 所述优选介质可以是气体。

[0139] 所述气体可用是空气、氮气、二氧化碳或任何合适的气体。

[0140] 替代性地或额外地，所述流径物质可用是低密度流体。例如，可以使用轻油。

[0141] 替代性地或额外地，流径物质可以是固体。比环境介质密度低的任何流体或固体都将增加可用于割断目标的能量，因为密度较低的优选介质相比环境介质将吸收更少的能量。

[0142] 在优选介质是气体的情况下，气体可以呈气泡形式。气泡是优选的，因为它们可提供冲击波可行进通过的较低密度的介质并且气泡还可提供冲击阻尼装置。

[0143] 所述优选介质的产生或存储装置可包括适于存储优选介质的容器。

[0144] 所述容器可位于所述目标附近。

[0145] 所述容器可适于移置所述环境介质。

[0146] 所述容器可以是气囊。

[0147] 所述气囊是可充气的。

[0148] 所述割断工具可包括目标放置装置。放置装置可被提供用以将目标放置在最佳位置，以最大化工具的切割效果。

[0149] 所述目标放置装置在使用中可适于接触所述目标的至少一部分，以相对于所述/每个聚能装药移动所述目标。

[0150] 所述放置装置可包括接合构件。

[0151] 所述接合构件可适于接触所述目标。

[0152] 所述接合构件可被机械地致动。

[0153] 所述接合构件可以是固体。

[0154] 替代性地，所述接合构件可以是有弹性的。

[0155] 所述接合构件可从第一位置移动到第二位置，移动到所述第二位置会将所述目标移动到期望位置。

[0156] 替代性地，所述接合构件可相对于所述/每个聚能装药被固定，所述接合构件将所述目标导引至所述期望位置和/或限制所述目标远离所述期望位置移动。

[0157] 在替代性实施例中，所述接合构件可在从所述第一位置向所述第二位置移动时变形。

[0158] 所述接合构件可通过充气而变形。

[0159] 在一些实施例中，所述接合构件可以是能够充气的圆环，所述圆环的充气使所述目标相对于所述/每个聚能装药位于中心。

[0160] 在实施例中，在所述聚能装药在使用中相对于所述目标沿径向放置的情况下，所述放置装置可适于使所述目标相对于所述聚能装药位于中心。

[0161] 具有多于一个定位装置。

[0162] 在具有多个定位装置的情况下，所述定位装置中的至少一个可位于所述目标的任一侧上。

[0163] 额外地或替代性地，定位装置可通过爆炸所释放的能量处于朝向所述目标的行进方向上。

[0164] 在实施例中，在定位装置通过爆炸所释放的能量处于朝向所述目标的行进方向上的情况下，能量行进穿过定位装置。在定位装置是例如充气囊并且空气比流径介质密度低的情况下，这是有益的。

[0165] 在具有多个聚能装药的情况下，所述触发器可适于同时引爆多个所述聚能装药。据信，同时引爆聚焦于目标的多于一个装药会因能量在目标处复合而增加割断能量。

[0166] 在具有多个聚能装药的情况下，所述触发器可适于相对于另一聚能装药或多个聚能装药的结合按顺序引爆聚能装药或多个聚能装药的结合。

[0167] 所述聚能装药可按顺序被触发，诸如按预定时间间隔被触发，以最大化割断效果。

[0168] 所述/每个聚能装药所释放的能量中的至少一些可在使用中用于向所述目标施加轴向力和/或扭转力。

[0169] 根据本发明的第六方面，提供一种用于分离管状元件的井紧急分离工具，包括：

[0170] 至少一个聚能装药，所述/每个聚能装药适于在接收到激活信号时爆炸，所述/每个聚能装药适于在爆炸时释放能量，所释放的能量的第一部分沿第一方向释放，所述第一方向至少部分地由所述/每个聚能装药的几何形状决定；以及

[0171] 至少一个触发器，其适于向所述/每个聚能装药发送所述激活信号。

[0172] 根据本发明的第七方面，提供一种割断目标的方法，所述方法包括步骤：

[0173] 提供至少一个聚能装药，所述/每个聚能装药适于在接收到激活信号时爆炸；

[0174] 向所述至少一个聚能装药传送激活信号，从而使得所述至少一个聚能装药爆炸，所述至少一个聚能装药在爆炸时释放能量，所释放的能量的第一部分沿第一方向释放，所述第一方向至少部分地由所述/每个聚能装药的几何形状决定。

[0175] 应该理解，联系本发明的一个方面列出的优选和替代性特征同样可应用于另一方面，但为了简洁起见未应用。

附图说明

[0176] 现在将参照附图描述本发明的实施例，在附图中：

[0177] 图1是根据本发明的第一实施例的包括紧急割断工具的井管柱(well string)的示意图；

[0178] 图2是图1的紧急割断工具的剖面；

[0179] 图3是图1的紧急割断工具的装药支承件的立体图；

[0180] 图4是爆炸期间图1的紧急割断工具的剖面；

[0181] 图5是在聚能装药的爆炸期间图1的装药支承件和目标的平面图；

[0182] 图6是在刚被聚能装药爆炸所产生的材料喷射流冲击之后待割断目标的表面的一部分的近景图；

[0183] 图7是沿图5的线A-A截取的穿过装药支承件和目标的剖面；

[0184] 图8是沿图5的线B-B截取的穿过装药支承件和目标的剖面；

[0185] 图9是待被图1的紧急割断工具割断的目标的表面的一部分的近景示意图，示出爆炸之前的分子排列；

[0186] 图10是待被图1的紧急割断工具割断的目标的表面的一部分的近景示意图，示出被聚能装药爆炸所产生的材料喷射流冲击之后的分子排列；

[0187] 图11是被聚能装药爆炸所产生的材料喷射流冲击之后作用在分子排列上的力的近景图；

[0188] 图12是被两个爆炸聚能装药的爆炸所产生的材料喷射流冲击之后作用在分子排列上的力的近景图；

[0189] 图13是在两个爆炸聚能装药的冲击之后图1的待割断目标的表面的一部分的近景图；

[0190] 图14是刚被聚能装药爆炸所产生的材料喷射流冲击之后沿图5的线A-A截取的穿过装药支承件和目标的剖面；

[0191] 图15是刚被爆炸所产生的材料喷射流冲击之后沿图5的线B-B截取的穿过装药支承件和目标的剖面；

[0192] 图16是刚被聚能装药爆炸所产生的材料喷射流冲击之后穿过图1的靶的一部分的剖面；

[0193] 图17是沿图5的线A-A截取的穿过装药支承件和目标的剖面，半穿地割断图1的目标；

[0194] 图18是沿图5的线B-B截取的穿过装药支承件和目标的剖面，半穿地割断图1的目标；

[0195] 图19是穿过图1的目标的一部分的剖面，半穿地割断目标；

[0196] 图20是沿图5的线A-A截取的穿过装药支承件和目标的剖面，完全割断图1的目标；

[0197] 图21是沿图5的线B-B截取的穿过装药支承件和目标的剖面，完全割断图1的目标；

[0198] 图22是穿过图1的目标的一部分的剖面，完全割断目标；

[0199] 图23是图1的紧急割断工具的一些聚能装药的发射方向的平面图；

[0200] 图24是根据本发明的第二实施例的紧急割断工具的一些聚能装药的发射方向的平面图；

[0201] 图25是处于爆炸物移置配置的根据本发明的第三实施例的紧急割断工具的一部分的平面；

[0202] 图26是处于爆炸物放置配置的图25的紧急割断工具的一部分的平面；

[0203] 图27是处于预先井流体移置配置的根据本发明的第四实施例的紧急割断工具的一部分的平面；

[0204] 图28是处于井流体移置配置的图27的紧急割断工具的一部分的平面；

[0205] 图29是处于预先井流体移置配置的根据本发明的第五实施例的紧急割断工具的一部分的平面；

[0206] 图30是处于井流体移置配置的图29的紧急割断工具的一部分的平面；

[0207] 图31是处于井流体移置配置的根据本发明的第六实施例的紧急割断工具的一部分的平面；

[0208] 图32是根据本发明的第七实施例的位于海底储存器上方的井紧急分离工具的示意图；

[0209] 图33是图32的井紧急分离工具的内部结构的示意图；

[0210] 图34是在图32的井紧急分离工具中使用的装药承载件的示意图；

[0211] 图35是聚能装药爆炸之后图32的井紧急分离工具的内部结构的示意图；

[0212] 图36是根据本发明的第八实施例的在多个聚能装药爆炸之后井分离工具的内部结构的示意图；

[0213] 图37是根据本发明的第九实施例的井分离工具的内部结构的示意图；以及[0214] 图38是气囊充气之后图37的井分离工具的内部结构的示意图。

具体实施方式

[0215] 图1描绘根据本发明的第一实施例的紧急割断工具，整体由附图标记100表示。紧急割断工具100是提供储存器116和钻塔104之间的流体连通的一连串井管柱101中的元件。井管柱101的主要部件是立管102、紧急割断工具100、防喷器(BOP)组112以及以套管114作为内衬的井眼115。

[0216] 钻塔104漂浮在海106上。钻塔104通过立管102流体连接到紧急割断工具100。

[0217] 与立管102相反地，紧急割断工具100通过连接器元件108流体连接到挠性接头110。挠性接头110从连接器元件108延伸至BOP 112。挠性接头110使得表面结构104相对于BOP组112进行一定程度的移动，以容许表面结构在例如波浪大的海中移动。套管114是与BOP组112流体连接的管状元件。

[0218] 在正常使用时，流体可通过套筒114沿箭头120所标记的方向从储存器116朝向表面流动。

[0219] 在钻孔或修井操作期间，工作管柱122可从表面结构104延伸至套管114。工作管柱122容纳在立管102内，并且穿过紧急割断工具100、连接器元件108、挠性接头110和BOP组
112。

[0220] 现在参考图2，图1的割断工具100的剖面。割断工具100包括外壳130、装药支承件132，装药支承件132容纳多个聚能穿孔装药(shaped perforating charge)134。装药支承件132适于将聚能装药134容纳在两个层136A、136B。装药支承件132位于由外壳130限定的凹口138内。割断工具100还包括装药屏障，装药屏障140用作装药支承件132和割断工具通孔142之间的屏障，所述通孔142由外壳内表面144和装药内衬内表面146限定。

[0221] 当割断工具100暴露于井压时，通孔142中的井压可能极高，并且装药屏障140抵抗压力并将压力容纳在通孔142中并且保护装药支承件132。

[0222] 容纳在立管102(图2中未示出)内的工作管柱122穿过通孔142。

[0223] 最后，割断工具100包括适合接收爆炸信号并且响应于所述信号引爆装药134的触发器148。

[0224] 现在参考图3，其示出了限定多个穴135的装药支承件132，用于支承第一层136a和第二层136b中的聚能装药134。

[0225] 装药支承件132包括聚氨酯。选择聚氨酯是因为一个装药发出的冲击波可在爆炸信号到达相邻装药之前触发相邻装药。与诸如金属的其他材料相比，聚氨酯是相对差的冲击波导体，因为冲击波被延迟。利用聚氨酯会更好地控制爆炸，所述爆炸通过经由装药信号而非经由外部影响引爆的每个装药实现。

[0226] 参照图4，触发器148引爆的聚能装药134的爆炸致使每个聚能装药134爆炸，产生将朝向目标(在本例子中是井管柱122)推进的塑化材料喷射流150。塑化材料喷射流150由作为聚能装药134的一部分的内衬产生。来自聚能装药134的塑化材料喷射流150被对准成会聚在通孔纵向轴线152(在本例子中其与井管柱纵向轴线154重合)上。如从图4可见的，塑化材料喷射流150将管状结构122割断成上部122a和下部122b。在此情况下，下部122b之后可下落到防喷器组112下方，容许防喷器112密封井眼套管114(都在图1中示出)。

[0227] 现在将参照图5-23描述目标122的割断机制。

[0228] 首先参照图5，在装药支承件132和目标122的此平面图中，刚刚实现了聚能装药134的爆炸，并且塑化材料喷射流150刚刚撞击在目标表面156上。

[0229] 参照图6，每个聚能装药在目标表面156上具有目标位置158。目标位置被布置成环158A、158B，目标位置的上部环是用于聚能装药134的第一层136a的目标位置，并且聚能装药134的第二层136b具有第二目标位置环158B的目标位置。图7和8示出了塑化材料喷射流
150朝向图7和8中的字母X指示的点的成角度行进，其中，材料喷射流150会聚。所述点半穿过目标壁176。

[0230] 当材料喷射流冲击在井管柱122上时，井管柱122的割断动作不仅仅是切割动作，而是材料移位动作。参照图9和10，图9示出了材料喷射流150冲击在目标122上之前分子160的排列。如从图9可见的，如预期的那样，分子排列很规则。当材料喷射流150冲击在目标位置158上时，分子168从图9所示位置到图10所示位置的移位产生孔眼172。

[0231] 参照图11，可见分子160沿径向方向被压缩力Fc压缩在一起，但是沿周向方向，具体地，外部分子160a、160b、160c被拉力Ft拉开。

[0232] 图12和13具体示出了拉力Ft的作用。目标位置158和相关孔眼170被材料桥174分开，材料桥在冲击之后断开。据信，当两个相邻冲击的分子移位一致时，作用在相邻分子160M、160N上的拉力Tf之和使得它们之间的结合力撕裂，在目标位置158A、158B之间的桥材料174中产生开口170。当材料移位继续时，开口170沿材料桥174扩展，直到它到达孔眼
172a、172b，产生将一个孔眼172a与下一个孔眼172b分开的连续间隔。

[0233] 图14、15和16示出了材料喷射流对目标表面156的最初冲击所产生的孔眼172。

[0234] 图17、18和19示出了割断过程中的下一阶段。由于来自第一层136a和第二层136b的聚能装药134的爆炸所引起的材料喷射流150的会聚，当喷射流150穿过目标壁176时，存在于由材料喷射流150冲击在目标位置处而产生的孔眼172之间的材料桥174在材料喷射流150到达目标壁176的中心178时减少至不存在。这在目标壁的中心172周围产生连续空隙
180。在此期间，由材料喷射流穿过目标壁外表面156时留在材料桥174中的剪切力产生的开口170增大，撕穿材料桥174。此时，管状目标122从目标外表面156至目标壁176的中心178被割断。

[0235] 参照图20至22，当材料喷射流150朝向目标壁176的中心178一起作用，以形成连续空隙180时，材料喷射流150合并以有效地形成材料片182，之后，材料片行进穿过目标壁176的剩余部分，通过移开限定目标内表面190的一部分的材料块184以突破到目标122的通孔186中，完成目标122的割断。这有效地完成了目标122的割断。

[0236] 参照图23，虽然有效地割断了目标122，但由于材料喷射流150穿过目标壁176进入目标通孔186中，聚能装药134的爆炸能量未被完全利用。材料喷射流150穿过目标内表面190时材料喷射流中剩余的能量实际上被浪费了。

[0237] 现在参照图24，装药环232的平面图示出了根据本发明的第二实施例的一些聚能装药234的发射方向。在本实施例中，聚能装药234被对准成最大化目标222内的聚能装药234的爆炸所产生的材料喷射流250的能量消耗。如从图24可见的，材料喷射流250不突破内目标壁表面290，而是在尽可能靠近目标壁内表面290处耗尽它们的能量。

[0238] 这具有两个有用的作用，如已经描述的，第一个作用是通过在目标壁284内耗尽材料喷射流的能量最大化材料喷射流250可实现的割断效果，第二个作用是材料喷射流250攻击目标222的角度在目标壁276内产生旋转力。如果第二层装药236b或实际上第二装药支承件(未示出)以类似方式但沿相反方向向目标222发射，则在目标壁276中产生的旋转力将沿相反方向。这将在垂直于目标纵向轴线的平面中产生剪切力，该剪切力可辅助目标222的割断。

[0239] 现在将参照图25-31描述四个实施例，其处理最大化材料喷射流到达待割断目标时的能量的问题。材料喷射流在从装药支承件行进到目标时通常会损失一些能量，因为其中放置有待割断目标的外壳通孔通常装满了密度很大的材料，诸如钻井泥浆。在下述实施例中，论述处理此问题的不同方法。

[0240] 首先参照图25和26，公开了根据本发明的第三实施例的紧急割断工具310。在本实施例中，割断工具310包括夹在两个装药支承板314、315之间的弹性体装药支承件312。装药支承件312限定位于装药支承件凹口320正前方的爆炸物腔318。上板314和下板315分别通过螺纹连接结构324、326经螺纹附接到一系列支撑杆320(用虚线示出了其中一个)上。在目标322就位的情况下，位于装药支承件312和目标322之间的环330填充有钻机泥浆(未示出)。环330的最大直径与立管(未示出)的直径相关，并且在正常操作期间需要保持不变，以容许井流体和井工具通过。

[0241] 但是，如果需要紧急分离的话，可旋转支撑杆320，以沿螺纹支撑杆320移动上板314和下板315，压缩弹性体装药支承件312并致使装药支承件312围绕凹口318屈曲，引起爆炸物腔316和容纳在其中的爆炸物朝向目标322径向向内移动。

[0242] 当装药支承件312朝向目标322压缩和移动时，环330开始关闭并且容纳在环330内的泥浆被移置到切割工具310外，最小化了腔316内的爆炸性材料在爆炸时所释放的材料喷射流所遭受的能量损失。

[0243] 这种布置容许容纳可变直径的立管，增加了装置的实用性。

[0244] 图27和28示出了根据本发明的第四实施例的紧急割断工具410。本实施例类似于图25和26所示的实施例，但本实施例还包括位于爆炸物装药腔412之前的囊430。在压缩装药支承件434时，囊430径向向内呈弓形，与目标440接合。在接合时，存在于囊430后面的空隙442可填充有密度低于井眼中流体的流体，有助于最小化爆炸物装药所形成的材料喷射流行进到目标422时的能量损失的影响。

[0245] 图29和30示出割断工具510的第五实施例。此割断工具510包括填充有较低密度的流体550的囊530，以减少能量损失，提高穿透能和准确性。工具510还包括流体旁路550，以促进穿过井的流体的移置和流动，减小泵入或泵出井的井流体作用在割断工具510上的压力。

[0246] 图31示出了本发明的第六实施例，其中，工具610还包括位于囊630上方的第一密封件660和位于囊630下方的第二密封件662，以通过相对于待割断目标622密封来保护囊630。

[0247] 图32描绘根据本发明的第七实施例的呈井紧急分离工具形式的割断工具，整体由附图标记1000表示。井紧急分离工具1000是提供储存器1160和表面结构1040之间的流体连通的一连串井管柱1010中的元件。井管柱1010的主要部件是立管1020、井紧急分离工具100、防喷器(BOP)组1120以及以套管1140作为内衬的井眼1150。

[0248] 表面结构1040漂浮在海1060上。表面结构1040可以是例如平台(spar)、半潜式平台、TLP、FPSO、临时的或永久的存储系统、容器、另一种容纳设备、或分离流体成分(诸如气体和液体)的分离器等。

[0249] 表面结构1040通过立管1020流体连接到井紧急分离工具1000。

[0250] 与立管1020相反地，井紧急分离工具1000通过连接器元件1080流体连接到挠性接头1100。挠性接头1100从连接器元件1080延伸至BOP 1120。挠性接头1100使得表面结构1040相对于BOP组1120进行一定程度的移动，以容许表面结构在例如波浪大的海中移动。套管1140是与BOP组1120流体连接的管状元件。

[0251] 在正常使用时，流体可通过套筒1140沿箭头1200所标记的方向从储存器1160朝向表面流动。

[0252] 在钻孔或修井操作期间，工作管柱1220可从表面结构1040延伸至套管1140。工作管柱1220容纳在立管1020内，并且穿过井紧急分离工具1000、连接器元件1080、挠性接头1100和BOP组1120。

[0253] 现在参照图33，示出了图32的井紧急分离工具1000的内部结构的示意图。井紧急分离工具1000包括多个聚能装药1300，每个聚能装药1300适于在接收到来自触发器1340的激活信号时爆炸。

[0254] 装药1300以特定几何学配置被支承在装药承载件1320内。聚能装药1300被放置成，使得装药1300释放的大部分能量朝向管状元件1220的外表面1520穿过装药盖套1500，所释放的能量割断管状元件1220，这将在适当的时候示出。

[0255] 参照图34，其是用于图32的井紧急分离工具中的装药承载件1320的示意图，装药承载件1320具有用于放置聚能装药1300的多个开口1360。如从此图中最清楚可见的，用于聚能装药1300的开口1360处于两排平行的行1380、1400中。装药承载件1320被设计成使得最初未沿管状元件1220的方向行进的在装药1300的爆炸期间释放的能量被装药承载件1320反射，从而使得释放的能量确实沿管状元件1220的方向行进，由此最大化释放的能量割断管状元件1220的效力。

[0256] 再次参照图33，装药承载件1320和聚能装药1300被安装在容纳外壳1260中，该外壳被设计和构造成能够承受住聚能装药1300在井紧急分离工具1000中的爆炸。此构造会保持系统的完整性并防止流离开立管1020。容纳外壳1260限定从立管1020延伸至挠性接头1100(如图1所示)的基本竖直的孔眼1420。容纳外壳1260的外表面通过工具主体1270与海水1060流体隔离。

[0257] 参照图35，其是聚能装药1300爆炸之后图32的井紧急分离工具1000的内部结构的示意图，可见在爆炸时，每个聚能装药1300释放呈高速金属材料喷射流1440形式的能量。金属材料喷射流1440向管状元件1220的表面垂直地发射，每个材料喷射流1440与每个相应的行1380、1400中的其他材料喷射流1440结合，以相对于管状结构1220形成两个爆炸冲击。

[0258] 参照图36，其是根据本发明的第八实施例在多个聚能装药2300爆炸之后井分离工具2000的内部结构的示意图，从此图中可见，聚能装药2300以不同方式放置在本实施例的装药承载件2320中，从而使得聚能装药2300爆炸时释放的金属材料喷射流2440指向井分离工具通孔2420中心的中心点2460。这种布置容许爆炸释放的能量集中在管状元件2220的较小区域上，具有可能改进的切割效果。

[0259] 现在参照图37，其是根据本发明的第九实施例的井分离工具3000的内部结构的示意图。本实施例的井分离工具3000类似于第七和第八实施例的井分离工具1000、2000，显著的区别是，井分离工具3000包括容纳在装药盖套3800中的气囊3500。在本实施例中，管状元件3220的外表面3520和井分离工具3000的内表面3540之间的环3580填充有致密液体3560。在装药3300爆炸时，致密液体3560将吸收装药3300爆炸所释放的能量的一部分，减弱高速材料喷射流的切割效果。如图38所示，其是气囊3500充气之后图37的井分离工具3000的内部结构的示意图，在装药3300即将爆炸之前使气囊3500充气，以从紧密围绕聚能装药3300的环中移开致密液体3560，以提供聚能装药3300爆炸所产生的能量可行进穿过的能量吸收较少的介质(空气)。

[0260] 在不脱离本发明的范围的情况下，可对上述实施例进行各种修改和改进。例如，可能期望在立管1020和BOP组1120之间安装多个井紧急分离工具1000。可包括第二井紧急分离工具1000，以备不时之需。替代性地，可包括额外的井紧急分离工具1000，如果采用各种尺寸或类型的工作管状1220的话。可能期望安装若干组井紧急分离工具1000，以增加设计的灵活度。井紧急分离工具1000可在钻井操作开始时被安装，并且被留在BOP组上，直到完成所有完井和修井活动。替代性地，井紧急分离工具1000可无限期地留在井上，并且可以仅当井被废弃时或当井紧急分离工具1000的某些部分需要被维修或更换时才被拆下。井紧急分离工具1000与传统的BOP组1120相独立。

[0261] 装药承载件1320被示作具有两行聚能装药。在其他实施例中，装药可根据需要被布置在三行或更多行开口中，以在爆炸时充分释放足以分离管状元件的能量。