CN107148509B - 用于压力控制的陶瓷破裂穹顶 - Google Patents

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Abstract

提供了一种一次性的压力致动的导管封闭件，以选择性地承受来自装置一侧的流体压力，直到将封闭件远程地移除，封闭装置是一个易破碎的穹顶，其设计成承受来自一侧的流体压力，但在其另一侧施加更高的压力时会破碎，其提供了一种机构，用于在操作期间由操作者选择的一段时间内在一部分井中的(高)压下隔离井下流体，然后通过施加额外的流体压力或来自表面的其他力来远程地破碎该破裂穹顶来去除隔离物。易碎穹顶在至少一个表面中具有特征，用于引导和控制其断裂，以提供受控的碎片尺寸和形状，以及可预测的开口来用于当穹顶破裂时对导管出现最小限度的阻碍。

Description

用于压力控制的陶瓷破裂穹顶
技术领域
本发明一般涉及一种一次性使用的压力致动阀或闭合件，以选择性地承受来自装置的一侧的流体压力，直到远程移除该闭合件。这是通过将装置构造成可以承受来自一侧的高压、但是在另一侧出现高压的情况下会破裂的易碎穹顶来实现的。破裂穹顶提供了一种机构，用于在井中的钻柱初始操作期间在高压下隔离井下流体一段时间，该时间可由钻机或操作者选择，并且然后通过施加额外的流体压力或来自表面的其他力来远程地打破破裂穹顶来移除隔离物。
这些操作在与封隔器和/或完井管柱结合的定向井、水平井或斜井在带压(snubbing)、桥塞取回或区域分选的过程中是有用的。该装置的穹顶为垂直和非垂直操作提供压力隔离，无需电缆即可打开该压力隔离，该压力隔离还可以用于与诸如组件的其他装置一起使用，组件包括用于恢复或其他功能的装卸台。
背景技术
在斜井的钻井、完井或维修作业中，有时密封油管柱以隔离井眼的生产或其他加压区域是非常重要的。
在过去，在将油管注入这样的井中期间已经使用了油管端塞，端塞通常是在注入之前附接到油管柱的底部的金属盘或铝盘，然后在井底或井底附近从油管柱上移除金属盘。在US244,042Farrar(1881)的专利中发现了一个例子。这具有将金属留在井眼的井底工作面的不良效果，其难以去除或去除成本昂贵，并且可能干扰进一步的钻井或其它操作。这些装置只在油管柱的底部运行。
有时看到的另一种机构是使用
Figure BDA0001290965630000011
短节，其由多个轮廓组成以通过井下输送电缆接收各种插头设备。这些机构提供单个插头，并且同时可以拔掉和再插入，这些机构由插头输送机构约束，也就是，电缆插头可能难以从较深的斜或水平井眼中取回，并且也许无法在非垂直取向上注入和重新装配。此外，如果在操作期间这样的插头配件失效，则电缆插头可能成为飞射物，并且两个有线插头在操作期间或用于操作的期间无法安装或无法轻易安装。类似地，用于接收各种插头的多轮廓坐放短节是以
Figure BDA0001290965630000021
商品名制造的。
破裂穹顶已经在井下类似的情况下使用。例如，Frazier(CA’728)的加拿大专利申请2,228,728中公开了一种具有“易碎压力密封”的系统。在这种情况下，具有圆形座面和径向曲率的陶瓷壳体设置成为用于包含在井下组件中的可破坏密封件。在CA’728中，陶瓷盘形成为具有精确的弓形(在横截面上)，以提供最大的耐压性。CA’728设计用于向流体压力提供强大的屏障，但能够通过在井下使用破碎工具(例如通过沿着油管投入棒状物)来破坏。这样的设计不适用于例如斜的或非垂直井眼的油管柱，这是因为如果井眼的非垂直部分具有非常大的距离，或者如果斜孔的曲率损害了破坏工具的行进速度(或打击力)，则仅依靠重力不能使杆或破碎工具行进。此外，当'728的穹顶破裂，所得到的通道可能是不规则的，并限制油管孔中的流体流过穹顶的残余物。同样，产生的碎片可能是不规则的或大的，这可能会干扰装配、钻孔或其他井眼的特性或操作。
发明内容
为了减轻现有技术的一些问题，本发明的破裂穹顶由易碎材料制成，其具有特定的弧形的穹顶外形，并且在穹顶外形的至少一个表面中具有包括的特征，当该穹顶破裂时，该特征引导和控制穹顶的破碎，以使破碎穹顶的碎片具有控制下的尺寸和形状，设计成以防止在井筒或任何相关设备中的堵塞或悬挂。易碎穹顶可以由诸如某些陶瓷、玻璃、铸造金属、可溶解物或任何合适的材料的材料制成，其不应与井或辅助设备发生负面的反应或互相影响而造成损害。
在一实施例中，提供了用作由油管形成的导管的可破坏密封件的破裂穹顶，油管由可破坏材料形成，破裂穹顶包括：
a具有穹形横截面的圆形体，本体具有：
1.凸侧
2.凹侧
3.附接的圆周边缘，用于安装到油管内侧的密封件上或油管上的装配件上
b一侧具有包括在其表面中的特征以引导破裂穹顶的断裂；
c所述本体在凸侧和凹侧之间形成的部分形成断裂部，该断裂部是易碎的，设计成用以保持施加到凸侧的高的流体压力，并且当施加到凹侧的流体压力超过阈值时断裂；
d由于向凹侧施加超过阈值的压力而使断裂部破碎时，所述断裂部设计为破裂成至少部分由包括在其表面中的特征所限定的预定碎片；
e穹顶还可以使用机械或其他力破碎。
附图说明
图1是破裂穹顶的俯侧视图。
图2是破裂穹顶的示出了凹槽和边缘结构的实施例的侧视图。
图3和图3a是图2中的破裂穹顶沿着A-A线的剖视图，图3a提供了在破裂穹顶的顶面上的球头铣削槽结构的实施例的放大细节图示。
具体实施方式
本发明提供了一种用于在组件(未示出)中用作可破坏密封件的破裂穹顶100。破裂穹顶100具有外圆周10，外圆周10的外缘装配在组件(未示出)内，并且外圆周10的外缘将组件密封，然后组件将例如是用于井中的管柱的流体导管(未示出)的内部通道密封。通常，本发明涉及的领域是石油和天然气工业，更具体地说，是关于油或气井的操作中的压力控制，甚至更具体地，涉及斜井或非垂直井。
破裂穹顶100由诸如陶瓷的易碎材料制成。它具有穹形，具有中空侧或凹侧20和凸侧30。在一个实施例中，凹侧20和凸侧30的弧形相似或等同，使得穹顶的曲面体40具有相对均匀的厚度。
取决于破裂穹顶100的直径，穹顶的曲面体40的厚度和曲率将不同，将曲面体40设计成从一侧(施加到凸侧30上)保持预设范围的流体压力，并且从另一侧(施加到凹侧20上)在不同的但预设的压力阈值下断裂或破裂。以这种方式，可以保持住对油管进行密封的组件中的破裂穹顶100所提供的密封，将油管的密封部分与井的其余部分隔离，直到高于设计的破裂压力的压力施加到破裂穹顶100的凹侧20上。
在优选实施例中，将破裂穹顶设计成承受来自高压力承载凸侧30的10,000psi而不断裂，但是当另一(凹)侧20的压力超过另一(凸)侧30的压力是破裂穹顶的凸面能承受的最大压力的10％-15％时，破裂穹顶设计为分离或破裂。在一个实施例中，压力穹顶可承受压力差，其中，在破裂前，凸侧的压力与凹侧的压力相同，或比凹侧的压力大，直至10,000psi，但是该压力穹顶设计成为以使其可以承受压力差，其中凹侧上的压力比凸侧上的压力大1500psi，但是如果该压力差超过1500psi则会破裂(这些数字是示例性的并且是优选实施例的近似值)。这意味着如果压力穹顶处于具有来自形成9,000psi的压力的密封井眼的环境中，则在操作员的控制下，通过施加10,501psi或更大的来自地面设备的流体压力(超过1500psi的压力差)可以使穹顶破裂。类似地，如果在1000psi的凸侧压力下进行测试，则通过向凹侧施加2,501psi或更大的压力(大于1500psi的差值)可以使穹顶破裂。这些示例是为了说明应该如何设计破裂压力差以使有一个小的(类似于凸侧能承受的最大压力的10％-25％)但显著的(以使意外破裂的可能性降低)压力差，可以以可控的方式(通过操纵施加到凹侧的流体压力)将压力差施加到穹顶的凹侧以使其破裂。以这种方式，通过从表面到凹侧20选择性地施加压力，破裂穹顶可能有目的地破裂以导致穹顶失效、破裂并破坏其先前形成的密封。为了提供这种性能特征的集合，具有2 3/8”O.D.的陶瓷破裂穹顶100将具有厚度大约为0.2575”的穹顶壁40，沟槽延伸进入穹顶壁40为0.075”并且特征线70，90形成或切入到穹顶壁40中，如果例如通过0.030”球头铣刀铣削，则铣削到深度约0.075”。
为了确保破裂穹顶在破裂时不会破裂成大的、不规则的和有危害性的可能会悬挂、堵塞或损坏井下设备或油管的穹顶材料碎片，，在破裂穹顶100的表面中可以具有特定的图案-在优选实施例中，图案可以包括在凸侧30的外表面中。图案50可以是凸侧30的外表面中的特征60的对称网格，或者可以是任何合适的图案，并且可以在制造或加工或雕刻或以其他方式制造的成型或制成阶段中成型。在实施例中，在具有间隔大约3/16英寸的特征线70的平方网格图案中，可以使用具有0.015”半径的0.030”球头铣刀或具有0.010”半径的0.020”的半球形铣刀铣削该特征。
在优选实施例中，破裂穹顶100的凸侧30的表面中的线70的特征图案50在同一表面30内也是特征线90的半径80内，半径80约为或略小于组件(未示出)的内径。在优选实施例中，为了在具有2”I.D.的2 3/8”O.D.油管柱密封件中使用，该半径80将约为2”。这样，一旦破裂穹顶的断裂部分破裂并从密封件中移除，允许破裂穹顶破裂时分开以留下一个由特征线90的半径80限定的干净通道，留下了基本上没有受损的通道。
破裂穹顶100可以具有用于附接到组件(未示出)的外周壁95。
本发明的上述实施例仅仅是示例。在不脱离仅由所附权利要求单独限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对具体实施例进行改变、修改和变化。

Claims (9)

1.一种陶瓷破裂穹顶，其用作井筒油管的内部通道的破坏式密封件，所述陶瓷破裂穹顶由破坏式材料形成，包括：
i.具有穹形横截面的圆形本体，所述本体具有：
a.凸侧；
b.凹侧；
c.附接的圆周边缘，其用于安装到所述油管内侧的密封件上或所述油管上的装配件上；
ii.凸侧具有包括在其表面中的特征的图案以引导所述破裂穹顶的断裂，所述特征的图案包括在凸侧的表面中或表面上的至少一条线状凹陷或突脊；
iii.在所述凸侧和所述凹侧之间限定的本体的一部分形成断裂部，所述断裂部是易碎的，且配置成用于保持施加到所述凸侧的高流体压力，并且当施加到所述凹侧的流体压力超过阈值时断裂；
iv.当由于向所述凹侧施加超过所述阈值的压力而使所述断裂部发生破裂时，所述断裂部破裂成至少部分由包括在凸侧的表面的特征所限定的预定碎片。
2.如权利要求1所述的陶瓷破裂穹顶，其中，所述特征的图案包括以下中的至少一种：
i.具有与所述油管的内径相同或相近直径的圆形图案的特征；
ii.在图案中一系列的对称凹槽，用于限定陶瓷破裂穹顶破裂时破碎形成的碎片的大小；
iii.表面中的凹槽或夹杂物或突脊的图案用于促进所述破裂穹顶在特定位置破裂以形成预定残骸碎片。
3.如权利要求1所述的陶瓷破裂穹顶，其中，所述陶瓷破裂穹顶具有与油管中的固定件配合的边缘，以使所述破裂穹顶可以被安装和密封、破裂，然后拆下并更换，从而能够轻易地复制由破裂穹顶提供的可移除的密封件。
4.如权利要求1所述的陶瓷破裂穹顶，其中，能够承受的所述高流体压力高达10,000psi。
5.如权利要求1所述的陶瓷破裂穹顶，其中，当施加到所述凹侧的流体压力超过施加到所述凸侧上的流体压力小但有效的压力差时，所述破裂穹顶会破裂。
6.如权利要求5所述的陶瓷破裂穹顶，其中，所述压力差是所述凸侧能够承受的最大压力的10-25％。
7.如权利要求1所述的陶瓷破裂穹顶，其中，所述陶瓷破裂穹顶用于2 3/8”的油管。
8.如权利要求1所述的陶瓷破裂穹顶，其中，所述陶瓷破裂穹顶用于2 7/8”的油管。
9.如权利要求1所述的陶瓷破裂穹顶，其中，特征的所述图案是沟槽或脊或夹杂物的交叉网纹线。
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