エネルギー伝達装置

(関連出願) 本願は2012年4月24日提出の、米国仮特許出願第61/637,541号の優先権の利益を主張するものであり、当該出願を引用として本明細書に含める。

(発明の分野) 本発明は、第2の点火装置の燃焼を開始するために、第1の点火装置の出力から放出されたエネルギーを第2の点火装置へ伝達するように構成されるエネルギー伝達装置に関する。エネルギー伝達装置は、時間遅延ヒューズのような、第1の点火装置の出力チャージによって放出されたエネルギーを吸収し、また、第2の点火装置の燃焼を効果的に且つ確実に容易にするように制御される方法で、少なくともそのエネルギーの一部を、第2の点火装置へ導く。

(先行技術の記載) 点火装置は、通常、油井設置作業のような様々な産業上の用途で、装填爆薬を点火または爆発させるために用いられる。時間遅延ヒューズは、爆破作業に使用される爆発材料の爆発を開始するために用いられる典型的な点火装置である。時間遅延ヒューズは、通常、所定の遅延時間増分に利用できる。しかしながら、ある用途では、1つの時間遅延ヒューズが提供する遅延時間を超える、より長い遅延時間が求められる。このような場合において、爆破を行う操作者は、あるヒューズに由来する出力チャージが次のヒューズのプライマまたは点火チャージに点火する期待を持って、直列に複数のヒューズを積み重ねる。

時間遅延ヒューズは、一般的に、このように使用するために設計または構成されていない。そのため、特定の状況においては、時間遅延ヒューズに由来する出力チャージ(出力電荷)が隣接するヒューズを点火することができず、それにより、爆破作業に用いられる起爆薬を爆発させることができない結果をもたらす。ダウンホール作業において、起爆薬の爆発失敗は、穴に駆け戻り、時間遅延ヒューズの新しい紐が取り付けられることを必要とする。パイプ紐を引くことは、高価で時間のかかる作業である。さらに、点火装置の存在は、その本質的な危険性により、この作業をさらに困難にする。

そのため、当分野においては、次のヒューズに連鎖して点火するような、一方の時間遅延ヒューズからもう片方への出力エネルギーの伝達を確実に効率よく行う必要がある。

本発明は、第2の点火装置の燃焼を開始するために、第1の点火装置から出力されるエネルギーを第2の点火装置へ伝達するように形成されるエネルギー伝達装置を提供することにより、この課題の解決法を提供する。ある実施の形態においては、エネルギー伝達装置は、第1の点火装置に隣接して配置されるように形成される前部と、第2の点火装置に隣接して配置されるように形成される後部とを含む金属本体を備える。さらに、金属本体は、それを通して延びる軸通路を含む。その通路は、本体前部を通って延びる第1部分と、本体後部を通って延びる第2部分を含む。本体前部は、第1の点火装置から出力されるエネルギーによって、通路第1部分の直径が狭くされ、通路内において締め付けを形成するように変形可能である。

本発明の別の実施の形態により、第2の点火装置の燃焼を開始するために、第1の点火装置から出力されるエネルギーを第2の点火装置へ伝達するように形成されるエネルギー伝達装置が提供される。エネルギー伝達装置は、その中に延びる中央孔を含む装置筐体と、その孔内に筺体によって運ばれる装置挿入物を含む。筐体は、筺体前部と筐体後部を含む。挿入物は、挿入物前部、挿入物後部およびそれを通して延びる軸通路を備える。筐体前部と挿入物前部は第1の点火装置に隣接して配置され、筺体後部と挿入物後部は第2の点火装置に隣接して配置される。挿入物前部は、第1の点火装置から出力されるエネルギーによって、締め付けがその通路内において形成されるように変形可能である。

本発明のさらに別の実施の形態により、井戸内にダウンホール装填火薬(点火チャージ)を届けるツールが提供される。この道具は、時間遅延ヒューズとエネルギー伝達装置を備える。エネルギー伝達装置は、それを通して延びる中央孔を含む装置筐体、およびそれを通して延びる軸通路を含む装置挿入物を備える。装置筐体は、筺体前部と筐体後部を含む。さらに、装置挿入物も挿入物前部と挿入物後部を含む。装置挿入物は、筺体孔内に配置されるように形成される。挿入物前部は第1の点火装置から出力されたエネルギーによって、締め付けがその通路内において形成されるように変形可能である。

本発明のさらに別の実施の形態により、井戸内でダウンホール装填火薬に点火する方法が提供される。第1の点火装置、エネルギー伝達装置および第2の点火装置が提供される。エネルギー伝達装置は、前部と、後部と、それを通して延びる軸通路を有する金属本体を備える。第1の点火装置は、出力チャージを爆発させるために点火される。出力チャージからのエネルギーの少なくとも一部は、軸通路を介して、第2の点火装置へ案内され、それによって、第2の点火装置を点火する。

図1は、本発明の一実施の形態に係るエネルギー伝達装置の斜視図である。

図2は、図1のエネルギー伝達装置の拡大斜視図であり、その2つの部分構成を示す。

図3は、時間遅延ヒューズと併せてダウンホールツールに使用されるエネルギー伝達装置の概観図である。

図4は、エネルギー伝達装置挿入物の断面図であって、その点火前の構成である。

図5は、点火後のエネルギー伝達装置挿入物の断面図であって、挿入物の変形及び通路締め付けの形成を示す。

次に、図面によると、特に図1及び2に、本発明の一実施の形態に係るエネルギー伝達装置10が示される。装置10は、エネルギー(入力)にダメージを与えたり、点火の失敗をもたらすことなく、その出力がもう片方の時間遅延ヒューズまたは類似する装置を点火するのに適するように、時間遅延ヒューズまたは類似する装置の爆発出力を制限及び変換するように形成される動的装置である。装置10は、装置筐体12と装置挿入物14を備える2部品からなる。筐体12は、点火装置に隣接して配置され、もう片方の点火装置へ伝達されるエネルギーを供給する点火装置と向き合うように構成された、ほぼ円筒状の前部16と、伝達されたエネルギーを受け取る点火装置と隣接し、且つ、対面して配置されるように形成された、ほぼ円筒状の後部18とを含む金属本体13を備える。別の実施形態においては、前部16は、後部18よりも大きな外径を有する。前部16の外表面は、ダウンホール爆破作業に用いられることができるようなツール内に筺体12をねじ込ませるねじ山20を備える。本体13は、それを通して伸び、且つ、装置挿入物14を受け入れる大きさを有する軸孔22を備える。孔22は、前方部分24と後方部分26を含み、前方部分24は通常後方部分26より大きな直径を有しているが、常にこのケースである必要はない。

装置挿入物14は、前部30と後部32を含む金属部材28を備える。前部30は、孔22の前方部分24内で受け取られるように形成される。図4に最良に示されるように、挿入物14は、さらに、前方及び後方部分35、37それぞれを含むように通って延びる中央軸通路34を備える。ある実施の形態においては、前方部分35は、後方部分37の長さに満たない長さである。さらに、前方部分35の直径は、後方部分37の直径に満たない。

以下に詳細に示されるように、通路34は、前部16及び30に隣接して配置された点火装置から後部18及び32に隣接して配置されたもう片方の点火装置へ出力エネルギーを案内する導管として働く。装置挿入物14の前部30は、Oリング38を受け取るように形成される外接溝36を備える。Oリング38は、挿入物14と筐体12との間に密封(シール)を提供し、装置10の組み立て時に、孔22内に挿入物14を維持することを助ける。

挿入物14の前部30は、通常、後部32の直径よりも大きいので、孔22の一般的な構造に一致する。前部30と後部32との間の接合は、筺体12の前部16と後部18の間の接合を定め、同様に形成される肩42に隣接する肩40を備える。両肩40、42の接触係合は、挿入物14と筐体12の適切な接合を確実にする。

ある実施の形態において、筺体12と挿入物14は、異なるステンレス鋼合金が各部品に対し個々に選択されるにかかわらず、ステンレス鋼を含む、種々の金属から製造される。ある特定の実施の形態において、筺体12は、17−4(AMS 5643)ステンレス鋼を含み、一方、挿入物14は、304または304Lステンレス鋼を含む。好ましい実施の形態において、挿入物14は、筺体12が形成される金属よりも低い硬度や張力値を有する金属を含む。以下でより詳しく説明するように、異なる材料から筐体12及び挿入物14を製造することは、第1の点火装置の点火の際、挿入物14に変形を生じさせ、一方、筺体12は、変形に耐えるため、その再利用が可能である。装置10がそれ自体に爆発材料を備えないことも注目に値する。

ここで図示及び記載される装置10の実施の形態は2部品であるが、装置10が単体且つ中央軸通路を備える単一部品であるものも本発明の範囲内である。このような単一部品は、筺体12の外部形状や、挿入物14の内部形状、すなわち、上述した通路34を保持する。

図3に示すように、エネルギー伝達装置10は、ダウンホール爆破作業での利用のために、点火ヘッドのようなツール44内に設置される。従って、ツール44は、ダウンホールパイプ紐または他のダウンホールツールへ取り付けのために形成される。ツール44は、通常、点火ピン50に備え付けられた点火ヘッド48を含む点火セクション46を備える。点火セクション46は、さらに、点火セクションに形成された穴54内に配置された第1の時間遅延ヒューズ52を備える。ヒューズ52は、プライマ56、1つ以上の時間遅延58及び出力チャージ60を備える。ある実施の形態において、出力チャージ60は、2,2',4,4',6,6'‐ヘキサニトロスチルベン(HNS-II)を含む。ヒューズ52内にある他の構成は、1つ以上の点火構成62、点火チャージ64及び伝送チャージ66を含む。点火セクション46は、ツール伝送セクション72の外面がねじ状の領域70に結合するために形成された内面がねじ込み型の領域68を含む。

エネルギー伝達装置10は、領域70で受けられる。装置10のねじ山20は、その中に装置10を確保する領域70のねじ山74と対応して接合するように形成される。装置筐体12は、さらに、セクション70内での装置10の設置に使用されるツールを受けるように形成される、前部16の正面に形成される一対のスロット76を含む。第2の時間遅延ヒューズ78は、伝送セクション72に形成された穴80内で受け取られ、装置筐体12の後部18に隣接して配置される。ヒューズ78は、ヒューズ52と同様に組み立てられることもできるし、そうではなく、より大きいまたはより少ない時間遅延58を保有するように形成されてもよい。エネルギー伝送装置10とは反対側において、伝送セクション72は、末端領域68の構成に類似している、内部にねじ込み型の領域82を備える。末端領域82は、さらに、全体的な時間遅延が必要とされる場合、末端領域82は、追加の伝送セクション72に取り付けるために形成される。あるいは、爆破作業のための実用的な爆薬のような、装填火薬の別のタイプが、末端領域82に連結される。

ツール44の操作中、点火ヘッド48は、当業者に公知の手段により駆動され、点火ピン50を時間遅延ヒューズ52に向けて駆動する。点火ピン50は、プライマ56を打ち、それによって、ヒューズ52を点火する。ヒューズ52に含まれる点火材料の燃焼は、出力チャージ60を通じて続けられる。出力チャージ60の爆発は、エネルギー伝達装置、特に、前部16及び30のそれぞれの正面へ向けられる熱、ガス、および/または固体粒子を放出させる。出力チャージ60によって生成された高温ガスは、通路前方部分35を通り通路後方部分37を介して装置10を出る。上述したように、装置挿入物14は、出力チャージ60によって放出される熱やガスによって変形を受けやすい材料から作られ、筐体12は、ヒューズ52の出力により変形されることにより耐久性がある材料から作られる。したがって、出力チャージ60の爆発の際、挿入物14に向けられたエネルギー、高温ガス、および/または、固体は、挿入物前部30を変形させる。この変形は、図5に示される。

特に、当初は平面状である前部30の正面84が変形して、通路前方部分35の直径を狭窄することによって、その中に、締め付け(くびれ)86を生成する。典型的な実施の形態において、通路前方部分35は、0.094インチの初期直径を有する。通常の気温における時間遅延ヒューズの点火出力は、挿入材料を変形し、通路前方部分35の直径を約0.040〜0.050インチ間に縮小する。上昇した温度における、時間遅延ヒューズの出力は、ブロックを凹ませるスチール試験において、25%より深いくぼみ(凹み)を生成し、挿入孔直径を0.030〜0.039インチに縮小する。時間遅延ヒューズ出力に伴う通路開口領域の縮小は、変形の強さに依存し、3.5〜9.8倍である。ドナー起爆装置(例えば、ヒューズ52)による使用や駆動がなされた場合、挿入物14の変形/くぼみは、変形エネルギーの一部を吸収する。挿入物14の形状や材料特性は、スチールを凹ませることができる点火出力に近接して用いられる場合、通路前方部分35の部分的な閉鎖を引き起こす。強力な爆発はより一層の変形を引き起こし、それによって、通路前方部分35をより小さな直径に閉じ、さらに、爆発の衝撃を制限する一方で、十分な点火ガスや粒子を通過させることも見出した。そのため、この働きは、ドナー起爆装置のパワー出力レベルに依存する自己制御である。

通路前方部分35の締め付け86は、出力チャージ60からの圧力(例えば、爆発圧やHNS−II、アジド出力エネルギー及び出力開始剤エネルギーからの熱の組み合わせ、高温金属片、溶融金属及びスラグ)を長時間かけて開放する。HNS−IIによる変形は、円錐形の跡が生じ、それは、しばしば、正面84の変形後スラグで覆われる。HNS−IIの変形は、たいてい、黒いすすを出すだけであるので、ある実施の態様において、挿入物14上または中で観察されるスラグは、変形による初期衝撃の後、通路34を通るガスや固体の流れを示す。

装置10の二部品構成は、挿入物14を単に置き換えるだけで筺体12を再利用することができる。通路後方部分37は、通路前方部分35より大きな初期直径を有することができる。より大きな直径部分37は、再生可能な通路として機能し、ツール着用がパフォーマンスに影響を及ぼさないことを保証し、また、直径や同心性が調整されることを保証する。次の遅延のエネルギー(入力)に最も近い領域は、たいてい拡大し、また、その領域が再利用可能なツールの一部であれば、その領域が着用部分であることに留意する。

出力チャージ60の燃焼によって生成されるエネルギー、ガス、及び/または固体粒子は、通路34を通ってヒューズ78に運ばれる。挿入物14の後方正面88に反応する際、高温ガス及び/または固体は、ヒューズ78のプライマ56に直接集められ、その点火を確実にする。このように、効率的且つ確実に、装置10は、ヒューズ52の出力をヒューズ78へ伝達し、点火ヘッド48で始まった発火系列が続くことを確実にする。ヒューズ78の出力チャージ60は、末端領域82へのもう一つの伝送セクション72の取り付けを介して、もう一つのヒューズに伝達されるか、または、別の点火ヘッドまたは爆破作業で用いられる装填火薬のような別のタイプの点火装置に伝達される。