承受比致动压力高得多的背压的破裂盘组件 |
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| 申请号 | CN200880007239.4 | 申请日 | 2008-01-30 | 公开(公告)号 | CN101675210B | 公开(公告)日 | 2014-01-08 |
| 申请人 | 法克有限公司; | 发明人 | J·A·斯托克斯; D·R·小希布勒; E·R·玛尔科隆; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种能够承受比爆裂启动压 力 显著高的背压的启动破裂盘单元。该单元包括具有 流体 通道的管状壳体。锥形壁结构限定流体出口比流体入口面积大的通道的至少一部分。破裂盘由壳体承载并具有流体阻塞通道的中心隆起部分。锥形、自动卸开的实心塞件 定位 在通道的锥形部分内并符合该锥形部分。该塞件具有符合破裂盘的中心部分并定位成完全支承该部分的弯曲表面。该塞件具有足够的 质量 来防止盘的中心部分在比盘的启动压力显著大的背压下破裂。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种能够承受比其爆裂启动压力显著高的背压的启动破裂盘单元，所述单元包括： |
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| 说明书全文 | 承受比致动压力高得多的背压的破裂盘组件[0001] 发明背景 技术领域[0002] 本发明涉及一种能够承受比爆裂启动压力显著高的背压的启动破裂盘单元。石油勘探和开采的主要问题是压力启动装置的失效。尽管破裂盘单元对于启动多个油田井下完井和生产装置中的任何一个是尤为有用的，但其也可用于包括深海、航天、变换器以及高压容器的需要承受较高背压差的其它应用场合。 [0003] 启动盘较佳地能够承受至少约20,000磅/平方英寸(表压)以上的背压差，例如35,000磅/平方英寸(表压)，直到高达约50,000磅/平方英寸(表压)，同时可在1,000至8,000磅/平方英寸(表压)数量级的启动压力下破裂。对于1/4英寸直径的盘的爆裂压力为约1,000磅/平方英寸(表压)，且比较大尺寸盘的爆裂压力低高达90％的运行率(operating ratio)。此外，单元的破裂盘理想地在经受全背压至该爆裂压力的90％的至少约100个循环时不会过度疲劳，且必须在油井在井下通常可能会遇到的低至40°F至高至 350°F的温度范围内可靠地运行。 背景技术[0004] 先前已在各种井下油井应用中采用破裂盘。在美国专利第5,996,696号中，提供了一种用于测试具有油井套管的输油管路的整体性的装置。连接到一串端对端管柱段下部的管状固定器设有通常关闭固定器内通道的破裂盘。固定器就位情况下的管道支线经受足以测试相邻对管路段之间连接的完整性的液体压力。一旦确定在任何管道支线段连接中没有泄漏，则对管路支线施加使盘破裂的程度的过压，由此打开固定器并提供与管道支线连通的穿通通道。在该油井测试破裂盘应用中，破裂盘相反侧上的压力不会超过盘承受背压差的能力。 [0005] 在另一井下破裂盘应用中，破裂盘安装在抽油杆或其它类型泵紧接着的上方连接到管柱最下段的管状固定器的侧壁内。在需要维护或更换泵时，维护或更换频率根据井下条件从数周变化到数月，油管柱会经受来自表面压力源的使盘破裂程度的过压，由此在将各段相继拉到表面并每次脱开一个时，使管柱内的液体能够从管柱排放出去。这样，可防止每段从井内撤出时和从其下方管道段脱开时从每段溢出油。此外，倾泄阀盘上的压力差没有大到使盘过早破裂。 [0006] 在本领域长久以来需要能够承受非常高的可变背压差，但同时又可以可靠地在显著较低的启动压力下选择性地打开的启动破裂盘。 发明内容[0007] 先前未解决的需求是一种能够承受与设计启动压力相比极高的背压差的启动破裂盘，且该盘在低至40°F至高至350°F的温度范围内可靠地承受全背压至爆裂压力的90％的至少100次循环。破裂盘单元必须可用O形环密封，可在支承件内方便地安装和更换、制造成本低且能够承受油田井孔内通常所遇到的腐蚀条件。本发明满足这些有挑战的问题。 [0008] 该破裂盘单元包括具有流体启动通道的壳体以及流体阻塞该通道的隆起破裂盘。流体通道的一部分沿使锥形部分的流体入口的面积比流体出口的面积小的方向呈锥形。隆起破裂盘安装在壳体内，布署成其中心部分流体阻塞启动流体通道的锥形部分的出口。破裂盘的凸出表面面向远离锥形流体启动通道的较大端的方向。锥形、大致圆锥形的自动卸开实心塞件互补地接纳在锥形通道内，使其最大端面与破裂盘的隆起部分的凹面符合配合。该塞件具有足够的质量以在塞件楔入锥形通道内时朝向塞件的较大表面方向在破裂盘上施加高背压差的情况下支承盘并防止盘破裂。但是，当沿朝向破裂盘的凹面方向施加启动压力时，塞件可方便地从锥形通道松开，由此使盘的隆起部分能够破裂。 [0009] 在本发明的一实施例中，设置与塞件可操作关联的部件以在塞件在施加于其的流体压力下从流体通道移出时捕获塞件。该部件可以是T形装置的形式，其中其杆部分附连到塞件而该装置的横向件位于流体通道外侧。该装置的杆部分的长度使得塞件可基本上在装置的横向件与启动单元的管状壳体接触并受其限制之前从流体通道移开。捕获装置的另一形式可包括置于塞件和主破裂盘之间的副盘，副盘具有呈现铰接部分的U形薄弱线，副盘通过通过焊接等附连到塞件。在流体压力将塞件从流体通道移出时，由于连接到塞件的U形铰接部分远离副盘的主体弯曲，塞件被捕获并保持在壳体内。 [0010] 破裂盘的隆起区域的直径可变，尽管对于特定高压承受应用场合可采用较大尺寸，但通常在约1/8英寸至4英寸范围内。具有半球形端面的圆锥形塞件具有能够为破裂盘的启动压力的约10倍那样高的压力下支承破裂盘的中心部分的尺寸和质量。尽管单元可用在启动压力与承受压力差的比值为1∶2量级的应用场合，但单元的启动压力与承受压力差的比值较佳地从约1∶10至约1∶50。破裂盘的隆起部分的最大高度与隆起部分的直径的比值约为1∶2.5。塞件的最大直径与其最大轴向长度的比值约为0.7。尽管可使用各种材料来制造启动破裂盘单元，但单元壳体和塞件较佳地由不锈钢棒料制成且破裂盘由铬镍铁合金制成。附图说明 [0011] 图1是本发明的启动破裂盘单元的一实施例的一侧的立体图； [0012] 图2是图1所示启动破裂盘单元的相反侧的立体图； [0013] 图3是图1的启动破裂盘单元的俯视图； [0014] 图4是图1的启动破裂盘单元的平面图； [0015] 图5是图1的启动破裂盘单元的仰视图； [0016] 图6是图1的启动破裂盘单元的放大分解立体图； [0017] 图7是沿图3的线7-7截取的图1的启动破裂盘单元的放大垂直剖视图； [0019] 图9是穿过图8的设备的示意性水平剖视图，为了清晰起见将某些部分剖开； [0020] 图10是本发明的启动破裂盘单元的另一实施例的一侧的立体图； [0021] 图11是图10所示启动破裂盘单元的相反侧的立体图； [0022] 图12是图10的启动破裂盘单元的俯视图； [0023] 图13是图10的启动破裂盘单元的平面图； [0024] 图14是图10的启动破裂盘单元的仰视图； [0025] 图15是图10的启动破裂盘单元的放大分解立体图； [0026] 图16是沿图12的线16-16截取的图10的启动破裂盘单元的放大垂直剖视图； [0027] 图17是启动破裂单元的一替代实施例的一侧的立体图，其包括可操作以在塞件从壳体的流道被逐出时捕获塞件并将塞件保持在壳体内的部件； [0028] 图18是图17的启动破裂盘单元的垂直剖视图； [0029] 图19是类似于图17的竖直剖视图，示出单元启动时捕获部件防止塞件从单元壳体移出的方式； [0030] 图20是可包含在启动破裂盘单元的壳体内以捕获塞件并防止塞件从单元壳体移出的副盘的立体图； [0031] 图21是包含防止塞件从壳体移出的副塞件捕获盘的启动破裂盘单元的替代实施例的垂直剖视图； [0032] 图22是图21的实施例的竖直剖视图，示出单元启动时捕获塞件并防止塞件从壳体移出的方式；以及 [0033] 图23是类似于图7的竖直剖视图，示出支承破裂盘的中心部分的塞件可穿过其设有小的轴向延伸的流道的本发明的另一实施例。 具体实施方式[0034] 图1-6中所示的本发明实施例的启动破裂盘单元宽泛地由附图标记20标示。破裂盘单元20设有较佳地由不锈钢棒料机加工而成的管状壳体22。壳体22具有环形不锈钢入口本体24和独立的环形不锈钢出口件26。如图7所清楚示出的那样，铬镍铁合金制成的隆起破裂盘28具有位于本体24和出口件26之间的扁平周向部分28a。可用于制造破裂盘28的其它材料特别是包括不锈钢、哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(Hasteloy)、以及铝。本体24和出口件26的外边缘以及隆起破裂盘28的周向部分28a的外边缘较佳地通过焊接或类似方式连结以形成一体式组件。 [0035] 出口件26具有中心流体启动通道30，该通道包括与其锥形、较佳的是圆锥形的通道部分34同轴线并连通的最外部圆柱形节段32。部分34的轴向长度比圆柱形节段32大。较佳的是，启动通道30的锥形部分34的斜度在约16°至约35°范围内。 [0036] 通道30的延伸穿过环形入口本体24的流体排放通道部分36与通道30同轴线且直径显著大于启动通道30的通道部分34的直径。通道部分36的直径较佳地与破裂盘28的隆起部分38的直径相同。出口件26的向内延伸的一体式环形唇部42的外表面40弯曲成与破裂盘28的隆起部分38的内凹面44互补地配合。 [0037] 锥形、大致圆锥形的自动卸开实心单体塞件46设置在锥形通道34内与之互补配合。塞件46的轴向长度较佳地大致等于启动通道30的锥形部分34的轴向长度。塞件46的半球形端面节段48构造成与破裂盘28的隆起部分38的内凹面44互补配合并支承该内凹面44。环形出口件26的唇部42的外部圆形边缘应构造成与塞件46的半球形端面节段48的周向延伸边缘顺滑地合并。塞件46的外部弯曲表面的切线较佳地相对于平行于圆锥形塞件的轴线并延伸穿过端面节段48与塞件的曲面合并的边缘的假想线成25°角。本文所使用的“自动卸开塞件”意思是如果塞件和用于塞件的关联通道的锥度不适当地缩窄，则塞件46趋向于楔入锥形通道。另一方面，如果锥度太大，则塞件46趋向于在高压负荷下移位且不再适当地保持就位。塞件46的表面50较佳地是平坦的，并定位成与通道30的圆弧形节段32和锥形部分34接合区域对齐。塞件46也较佳地由不锈钢制成。 [0038] 环形入口本体24内的通道部分36是六边形截面构造，以接纳六边形安装和拆卸工具，并设有用于容纳工具的六个轴向延伸的、方向向内、间隔开的横截面呈V形的凹穴52。环形入口本体24具有用于将破裂盘单元20固定在其中螺纹地安装单元20的结构内的固定位置的外螺纹54。 [0039] 对于启动破裂盘单元20的大多数应用，由环形入口本体24和环形出口件26制成的管状壳体的大小设置成容纳具有隆起部分38的破裂盘，隆起部分38的直径范围从约1/8英寸至约4英寸。业已发现，通过提供其最大直径与其最大轴向长度的比值为约0.7的不锈钢塞件46，塞件46具有足够的质量以在为破裂盘28的隆起部分38的启动压力至少约10倍的那样大的背压差下支承破裂盘28的中心隆起部分38并防止其破裂。通道部分34的锥度以及圆锥形塞件46的弯曲表面的相应锥度较佳地在16°至35°的范围内，且最佳地为约25°。通过将锥角保持在该范围内，塞件46在从约1,000磅/平方英寸(表压)至 8,000磅/平方英寸(表压)范围内、且最通常在5,000至6,000磅/平方英寸(表压)的最理想启动压力下自动卸开。尽管不锈钢是用于构造壳体20和塞件46的较佳材料，但根据在启动破裂盘单元20的使用期间必须承受的背压差，也可使用其它等效的金属材料。用于壳体的替代材料包括诸如铬镍铁合金、哈斯特洛伊耐蚀镍基合金、以及铝之类的金属，不过塞件46另外也可由以下材料制成：陶瓷复合物，诸如环氧、石墨或其它类似脆性材料之类的加固合成树脂材料，玻璃纤维加固含碳产品，或在例如约300°F至350°F范围内的温度下融化的低熔点共晶合金或易熔合金。 [0040] 为用于具有1/4英寸隆起部分38的破裂盘而设计的示例性塞件46可例如由直径1/4英寸且长3/8英寸的316不锈钢棒料条制成。该塞件的弯曲表面48通常会具有0.154英寸的半径。在端面节段48的周向边缘处测得的塞件46的总体最大直径会是0.178英寸。 塞件的总体高度会是0.125英寸。圆锥形塞件46的较佳锥度会是25°；因此，表面50的面积是塞件的锥形表面的斜度的函数。 [0041] 图8和9示意性地示出启动破裂盘单元20在石油完井和生产领域的一种有用应用。在这些图的示意性描绘中，井下油井工具58的外部管56接纳位于管56与内部管62之间的可移位套管活塞60。O形环64提供活塞60的外表面与管56的内表面之间的密封，而O形环66提供活塞60的内表面与管62的外表面之间的密封。启动破裂盘单元20螺纹连接到活塞60的外表面内，使通道部分36与O形环密封件64下方活塞60的外表面与管56的内表面之间的空间连通。通道30的圆柱形节段32与活塞60通向在O形环66上方活塞60的内表面与管62的外表面之间的空间的端口68连通。多个径向设置的通道70将室74与室76连通。O形环64和66协作限定其一侧上的室72和其相反侧上的室74。管62的内部有细长室76。在图8的示意图中，室72具有标示PF(LO)，而标示PB(HI)在室74和76内。 这些标示代表工具58操作期间相应室内存在的压力条件。 [0042] 在工具58的示例性使用中，室72可用地表高度的诸如氮气的气体加压到例如3,500磅/平方英寸(表压)的预定压力。室72的加压产生室72与室74之间的压力差，使套管活塞60朝向室74移位到其行进路径的端部。室72则较佳地有帽来封闭该室。然后可将工具58下降到井眼孔内。室74和76内的流静压随深度增加。在工具下降时，室76和74内的压力PB(HI)增加，直到该压力与室72内的压力平衡为止。室74和76内的压力增加到室72内的初始压力以上可在进一步压缩室72内的气体时移动套管活塞60。室72内的压力逐渐增加，直到其与室74和76内的压力平衡为止。在一种类型的工具中，当室72和室74、76内的平衡压力达到一定水平，例如达到10,000磅/平方英寸(表压)时，套管活塞60可最终锁定就位。 [0043] 室76内的压力，以及由此室74内的压力可由于井波动而在例如约6,000磅/平方英寸(表压)至20,000磅/平方英寸(表压)之间剧烈波动。当室74和76内的压力增加到室72内的压力以上时，塞件46和环形出口件26的唇部42完全支承破裂盘28的隆起部分38，防止盘破裂。该压差增加可高达20,000磅/平方英寸(表压)(室74和76内的30,000磅/平方英寸(表压)减去室72内的10,000磅/平方英寸(表压))。支承破裂盘28的隆起部分38的塞件46和相关的唇部42能够完全支承该非常高的背压。 [0044] 另一方面，当室76和74内的压力降到10,000磅/平方英寸(表压)时，由于套管活塞60锁定就位且不能进一步压缩捕集在室72内的气体，所以可能发生破裂盘28的隆起部分38的压力循环。室74内压力每次变化变化到室72内的偏移压力之下是破裂盘28的一个循环。破裂盘单元20的独特结构适应破裂盘进行至少约100次以上循环的压力循环。 [0045] 破裂盘28可响应指令仅通过将室72内的压力增加到例如室74和76内压力水平以上5,000磅/平方英寸(表压)的盘的破裂压力以上的水平而启动和破裂。当在塞件46的表面50上施加足以实现盘28的破裂的压力时，塞件46朝向破裂盘28的隆起部分38自由移动，由此实现隆起部分38的破裂和打开。 [0046] 附图的图10-16中所示替代启动破裂盘单元120的结构和操作类似于破裂盘单元20并具有其所有操作特征和优点。破裂盘单元120包括壳体122，该壳体122设有环形带外螺纹的入口本体124和环形出口件126。具有隆起中心部分138和周向凸缘128a的破裂盘128以与关于破裂盘单元20描述相同的方式设置在入口本体124和环形出口件126之间。 [0047] 盘单元20和盘单元120之间的主要差别是盘128的打开方向反向。破裂盘单元120也设有较佳地由不锈钢棒料加工而成的管状壳体122。壳体122具有环形不锈钢入口本体124和独立的环形不锈钢出口件126。隆起的破裂盘128置于入口本体124与出口件 126之间，入口本体124、出口件126、以及盘128的周向部分128a通过焊接等连结。 [0048] 壳体122具有由通道部分136组成的中心启动通道130，通道部分136的直径和构造与破裂盘单元20的六边形工具接纳通道部分36相同。通道部分136与通向锥形通道部分134的较小直径通道部分137连通。本体124的周向延伸方向向外的唇部142是与破裂盘128的凹面144的外周互补配合的弯曲构造，类似于破裂盘单元20的入口本体24的唇部42。锥形通道部分134的角度也较佳地从16°至35°，且最佳地为约25°。 [0049] 环形出口件126具有与环形入口本体124的启动通道130同轴线的通道132。通道132的直径较佳地等于破裂盘128的隆起部分138的直径。也较佳地由316不锈钢制成的自动卸开圆锥形塞件146构造成互补地接纳在入口本体124的锥形通道部分134内。当破裂盘单元120与具有1/4英寸直径的隆起部分138的破裂盘结合使用时，塞件146的尺寸与关于塞件46所描述的相同。 [0050] 破裂盘单元120还适于用在单元必须能够承受与致动压力相比非常高的背压的应用场合。通过将受压流体通过通道部分136和通道部分137引入通道130作用在塞件146的表面150上，这足以使破裂盘128的隆起部分138破裂，从而控制单元120的致动。由于塞件146的自动卸开的特性，塞件可自由地从锥形通道部分134松开。 [0051] 破裂盘单元120尤其用作破裂盘单元的出口侧暴露于直接井压的启动装置，而无需对单元的入口侧施加压力来维持较低压差。例如，该出口可暴露于井压，而入口处于大气压下。 [0052] 附图的图17-19中示出另一替代启动破裂盘单元220，其包括与关于图1-7所示和描述类似的壳体、盘和塞件，除了增加了宽泛地标以278的部件，该部件278包括大致T形金属装置280，其具有延伸穿过壳体222的通道232并可凹入并焊接到塞件246内的细长杆部分282。装置280的杆部分282的长度使得装置280的分支横向件284通常与壳体220的出口件226的外表面226a间隔开。如图17所示，横向件284的臂284a沿不同方向远离通道232延伸。如图19所示，启动单元220时，通过施加在塞件246的表面250上的流体压力，当塞件246从通道230移出时盘228破裂。通过横向件284的臂284a与出口件226的外表面226a的配合将塞件246捕获在壳体222内。 [0053] 图20-22中示出破裂盘单元启动时捕获塞件的替代构造。单元320的盘328叠置在副盘386上。盘386具有与中心隆起部分386b一体的凸缘部分386a。盘386设有具有腿节段388a的U形狭缝或薄弱线388，该腿节段388a延伸到凸缘386a内并与形成在盘386的隆起部分386b内的大致圆形内部部分388b合并。薄弱线388限定能够围绕盘386在薄弱线388的腿节段388a的最外端之间的铰接区域394弯曲的铰接部分392。穹顶形中心部分386b在位置390点焊到塞件346的端面节段348。 [0054] 如图22所清楚示出的，在通过施加在塞件346的表面350上的流体压力使塞件从出口件326移出而致动单元320时，盘328的中心隆起部分338通过塞件346破裂。塞件346从出口件326的通道330移出使得盘386的铰接部分392围绕铰接区域394弯曲。由于盘386的铰接部分392点焊到塞件346的表面348，所以塞件346的致动致使塞件346保持在单元320的壳体322内，如图22所清楚示出的那样。 [0055] 在图23所示的本发明的另一替代实施例中，单元420与单元20相同，除了其塞件446设有穿过其中的轴向延伸的流道494。通道494使启动流体压力能够冲击破裂盘428的隆起部分438的下表面以辅助盘428的受控破裂。通过提供穿过塞件446的通道494，可在某些操作条件下更精确地控制破裂盘单元420的流体启动。例如，在启动流体具有相对高粘度时，在塞件446内设置通道494使高粘度材料能够直接与破裂盘428接触，并由此辅助其破裂。通道494的直径较佳地与背压与启动压力的比值成比例。该比值越高，通道直径越小；比值越小，通道494的直径相对于塞件446的直径越大。比值较低时，在需要破裂盘428较快启动的情况下，通道494应当具有较大直径。比值较高时，在需要或要求更好地控制破裂盘的启动的情况下，相对于塞件446的直径应当设置直径较小的通道494。 |
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