壓力釋放裝置、系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利摘要】提供了一種壓力釋放裝置和具有該壓力釋放裝置的水力壓裂系統(tǒng)。在一種形式中，壓力釋放裝置具有閥體，閥體具有在其入口和出口之間線(xiàn)性地延伸的通孔。破裂片固定在閥體中，以使其易碎的圓頂壁部分具有在閥體孔中的反向作用定位。水力壓裂系統(tǒng)包括泵和輸送線(xiàn)路，輸送線(xiàn)路從泵接收加壓的壓裂流體并且將其輸送到井。壓力釋放裝置沿著輸送線(xiàn)路安裝。傳感器檢測(cè)壓力釋放裝置下游的流體流量，壓力釋放裝置允許當(dāng)檢測(cè)到下游的流體流量時(shí)停止泵。壓力釋放裝置可以具有本體，該本體具有圓頂?shù)钠屏哑蛡鞲衅鳌?br> 【專(zhuān)利說(shuō)明】壓力釋放裝置、系統(tǒng)和方法 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001] 本申請(qǐng)基于美國(guó)法典第35卷第119節(jié)第（e)條要求于2011年11月7日提交的 名稱(chēng)為〃壓力釋放裝置、系統(tǒng)和方法〃、編號(hào)為61/556, 773的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益，該申請(qǐng) 的代理人案號(hào)為9205-100791-US，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入到本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種壓力釋放裝置、系統(tǒng)和方法，尤其是涉及在水力壓裂流體輸送系 統(tǒng)中用于釋放壓力的破裂片裝置（rupture disc device)。

【背景技術(shù)】
[0003] 水力壓裂、或者液壓破碎，是用于從地面以下深處的巖層中回收天然氣、石油或者 其他化石燃料的方法。典型的水力壓裂方法包括將水、沙和化學(xué)物質(zhì)的加壓液體混合物泵 送到表層之上井口中的多臺(tái)卡車(chē)（truck)，該混合物注入到在表層之下延伸到預(yù)定深度的 井孔中。井孔包括套管，套管具有允許液體進(jìn)入巖層中的穿孔區(qū)段。
[0004] 由于加壓液體是通過(guò)表層以下的井孔泵送，因此迫使該加壓液體通過(guò)穿孔區(qū)段并 且進(jìn)入到環(huán)境構(gòu)造中以致使巖石破裂。液體將持續(xù)地流入這樣壓裂的構(gòu)造中，使之產(chǎn)生裂 縫。在處理過(guò)程中，監(jiān)控液體的壓力，并且隨著壓裂工作進(jìn)展，沙與水的比例可以增加。該 處理過(guò)程保持可行的最高壓力以確保在巖石中的最大壓裂。
[0005] 當(dāng)完成壓裂過(guò)程時(shí)，壓力減小，液體從井孔釋放。來(lái)自混合物的沙仍然保留在由壓 裂產(chǎn)生的裂縫中，這允許天然氣或者石油流動(dòng)并被回收。
[0006] 因?yàn)榉椒ǖ谋举|(zhì)，將壓裂流體供給井孔的流體泵和輸送線(xiàn)路在高壓下操作，例如 大約6, 000到15, 500psig。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的壓力以保證系統(tǒng)在要求下操作。然而，壓力峰值 可能在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生，如果壓力足夠高可能致使管道斷裂或者變?nèi)?，最終由于疲勞導(dǎo)致 后繼的斷裂。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1是具有壓力釋放裝置的水力壓裂系統(tǒng)的示意圖；
[0008] 圖2A是壓力釋放裝置的端部正視圖，顯示了與螺母連接的裝置本體；
[0009] 圖2B是沿圖2A的線(xiàn)2B-2B的剖視圖，顯示在裝置本體中的破裂片；
[0010] 圖2C是另一個(gè)壓力釋放裝置的端部正視圖，其具有與螺母連接的裝置本體；
[0011] 圖2D是沿圖2C的線(xiàn)2D-2D的剖視圖，其顯示在裝置本體中的破裂片；
[0012] 圖2E是類(lèi)似于圖2D的剖視圖，但是其中螺母被移除；
[0013] 圖2F是圖2B和2D的壓力釋放裝置的破裂片的前部正視圖；
[0014] 圖2G是沿圖2F的線(xiàn)2G-2G的剖視圖，顯示了破裂片的圓頂構(gòu)造；
[0015] 圖3是利用多臺(tái)流體輸送卡車(chē)的水力壓裂系統(tǒng)的示意圖；
[0016] 圖4A是當(dāng)破裂片已經(jīng)破裂時(shí)用于壓力釋放和檢測(cè)器裝置的傳感器的透視圖；
[0017] 圖4B是顯示當(dāng)破裂片已經(jīng)破裂時(shí)壓力釋放和檢測(cè)裝置的配置和操作的示意圖；
[0018] 圖5是圖示了連接到圖4A的傳感器的控制器操作的流程圖；
[0019] 圖6A是用于水力壓裂系統(tǒng)的壓力釋放和檢測(cè)儀器的正視圖；
[0020] 圖6B是圖6A的設(shè)備的端部正視圖；
[0021] 圖7A是用于水力壓裂系統(tǒng)的壓力釋放和檢測(cè)器牽引器（detector extension apparatus)的另一種形式；
[0022] 圖7B是沿圖7A的線(xiàn)7B-7B的、顯示圖7A的設(shè)備的剖視圖；
[0023] 圖8是圖示了壓力釋放和檢測(cè)器牽引器的操作的流程圖；和
[0024] 圖9A-9C是破裂片多個(gè)視圖，其顯示破裂片的示例性尺寸。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 參考圖1，設(shè)置壓力釋放裝置10用于釋放在水力壓裂或者液壓破碎系統(tǒng)12內(nèi)的 高壓。壓力釋放裝置10可以按要求沿著系統(tǒng)12在可能需要釋放壓力的不同位置連接。系 統(tǒng)12包括加壓壓裂流體源，其通常包括流體輸送卡車(chē)14,卡車(chē)具有流體端16,流體端具有 用于給壓裂流體加壓的泵16a?？ㄜ?chē)14的泵16a連接到輸送線(xiàn)路18,輸送線(xiàn)路18可以包 括連接到井20的柔性和/或剛性管18a。通常，將在泵16a和井20之間利用剛性管18a， 當(dāng)?shù)蛪簳r(shí)，可以使用柔性管道作為到泵16a的輸送線(xiàn)路。壓裂流體介質(zhì)22,包括水、沙和化 學(xué)物質(zhì)，在例如大約5, 500-16, OOOpsig的壓力下從卡車(chē)14泵送到處于高壓下的井20中以 執(zhí)行壓裂工作。壓力釋放裝置10可以沿著輸送線(xiàn)路18連接在卡車(chē)14的流體端16,或者可 以設(shè)置在卡車(chē)14的流體端16并沿著輸送線(xiàn)路18。
[0026] 在一個(gè)已知的壓裂系統(tǒng)中，設(shè)置卸壓閥，卸壓閥具有在典型閥體內(nèi)的破裂片。破裂 片通常由金屬制造，具有在一側(cè)被刻痕的圓頂區(qū)段。根據(jù)不同的參數(shù)，包括破裂片的厚度、 圓頂?shù)纳疃群涂毯凵疃?，破裂片將在?guī)定的壓力下破裂。破裂片放置在鄰近閥入口的閥內(nèi)， 以保護(hù)閥體的內(nèi)部，閥入口位于工藝介質(zhì)和閥體之間。破裂片包括位于閥體內(nèi)的彈性密封 件，以防止在系統(tǒng)的正常運(yùn)行過(guò)程中排放物進(jìn)入環(huán)境中。破裂片是正向作用的，意味著圓頂 的凹面是朝向加壓壓裂流體安裝的。泄壓閥附接到輸送線(xiàn)路的頂部，并且因?yàn)樾箟洪y使用 典型閥體，它具有90度的彎曲以便排放。
[0027] 如果壓力峰值在破裂片的破裂壓力之上，那么破裂片將破裂，允許過(guò)壓流體逃逸 到環(huán)境中。在破裂片已經(jīng)破裂之后，當(dāng)檢測(cè)到介質(zhì)釋放到環(huán)境中時(shí)，系統(tǒng)操作員可以關(guān)閉系 統(tǒng)，停止壓裂過(guò)程。在卸壓閥內(nèi)破裂的破裂片因此替換為新的破裂片，并且可以恢復(fù)工藝過(guò) 程。
[0028] 然而，替換閥內(nèi)的破裂片是耗費(fèi)時(shí)間的，并且延緩了壓裂工作。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由 于系統(tǒng)循環(huán)在破裂片上導(dǎo)致張力，在一定的壓裂工作中大約兩周之后，正向作用的破裂片 常常遭受疲勞失效。另外，在排放過(guò)程中，在閥內(nèi)的排放路徑的90度彎曲產(chǎn)生流動(dòng)阻力，并 且可能引導(dǎo)流動(dòng)排放到不希望的區(qū)域。因此，下文中將描述包括具有破裂片30的裝置10 的壓力釋放系統(tǒng)的更優(yōu)選形式。
[0029] 參考圖2A-2F，壓力釋放裝置10通常包括兩個(gè)主要部分：裝置本體24,具有入口 26和出口 28,在入口 26和出口 28之間具有線(xiàn)性延伸的貫通孔40 ;和破裂片30。裝置本體 24可以包括入口部分26a和出口部分28a，其可以整體地形成為一體的整體構(gòu)件，或者形成 為通過(guò)焊接等被剛性連接在一起的兩個(gè)不同的元件或構(gòu)件，如圖2A和2B所示。
[0030] 入口部分或者構(gòu)件26a具有通常為環(huán)形的錐形構(gòu)造，該構(gòu)造包括圓錐形的外表面 32,用于連接到在到系統(tǒng)12的連接接口 36處的對(duì)應(yīng)斜管管件34。該入口部分26a通過(guò)連 接器構(gòu)件（例如螺母38)附接到接口 36。如所示，螺母38可以包括內(nèi)螺紋，并且可以是以 錘擊由壬螺母（hammer union nut)形式的兩英寸1502連接器（two inchl502connector) 類(lèi)型，其具有三個(gè)徑向延伸的凸緣38a;然而，也可以使用其他類(lèi)型和尺寸的連接器構(gòu)件， 例如三英寸連接器類(lèi)型。出口部分或者構(gòu)件28a具有通常圓柱形的構(gòu)造，其可以包括放大 的螺紋端50 (圖2B)，例如是兩英寸1502連接器類(lèi)型。入口部分26a包括孔部分40a，而且 出口部分28a也包括孔部分40b，它們優(yōu)選的是沿著中心軸線(xiàn)B彼此對(duì)齊，以使流過(guò)裝置本 體24的介質(zhì)22通常沒(méi)有轉(zhuǎn)向或彎曲的沿著軸線(xiàn)B流動(dòng)，結(jié)果形成通過(guò)裝置的直接的、直的 排放路徑。優(yōu)選地，裝置10定位成使得排放路徑是垂直的，但是裝置10也可以具有其他定 位?？撞糠?0a和40b的直徑可以是大約1.25英寸。裝置本體24可以是金屬材料，例如 不銹鋼316。
[0031] 如圖2F和2G所示，破裂片30通常是盤(pán)狀的，包括一平的、外部環(huán)形部分41和在徑 向中心處的圓頂形的、中心壁部分42。圓頂壁部分42可以通常在其凸面44和凹面46之間 具有恒定厚度。凹面46包括具有十字構(gòu)造刻痕46a的易碎部分，凸面44是平滑的。破裂 片30安裝在鄰近入口 26的裝置本體24內(nèi)，并且以反向作用方式定位，意味著平滑的凸面 44朝向入口 26和加壓介質(zhì)22,并且刻痕的凹面46朝向出口 28,以使當(dāng)破裂片30破裂時(shí)， 破裂片30在箭頭F所示的與通過(guò)裝置本體24的流體流動(dòng)相反的方向上軸向地突出。破裂 片30的反向作用安裝被優(yōu)化成用于抵抗反復(fù)的加壓循環(huán)，因?yàn)橥姑?4朝向加壓介質(zhì)22,因 此破裂片處于壓縮中。例如，在此描述的用于壓力釋放裝置10的破裂片30的反向作用安 裝已經(jīng)經(jīng)過(guò)350萬(wàn)次循環(huán)試驗(yàn)，而沒(méi)有疲勞失效。
[0032] 另外，在裝置本體27中以反向作用定位方式的破裂片30,當(dāng)破裂片30破裂時(shí)，在 到達(dá)圍繞孔部分40b延伸的出口構(gòu)件28的內(nèi)表面40c之前，通常三角形的花瓣部分47在 孔40中設(shè)置有較長(zhǎng)的傳播路徑。這允許花瓣部分47在破裂片30破裂時(shí)能夠產(chǎn)生更大的 動(dòng)量。這是重要的，因?yàn)榇颂幤屏哑?0的較厚的圓頂壁部分42,例如對(duì)于具有大約1. 25英 寸直徑的圓頂壁部分42而言是大約八分之一英寸（參見(jiàn)圖9A)。利用包括如上所述的破裂 片30的裝置10,據(jù)認(rèn)為，當(dāng)相對(duì)厚的破裂片30破裂時(shí)，花瓣部分47在其增加長(zhǎng)度的傳播路 徑上能夠產(chǎn)生增加的動(dòng)量，這使得花瓣部分47更寬地展開(kāi)，并且靠近與孔表面40c的沖洗 接合位置。因此，破裂片30的反向作用定位優(yōu)化了當(dāng)其破裂時(shí)完全打開(kāi)的能力，從而為通 過(guò)直孔40的過(guò)壓壓裂流體22提供基本無(wú)阻礙的流動(dòng)路徑。
[0033] 破裂片30通過(guò)在裝置本體24的周界或者外表面24a處的焊縫48被固定到裝置 本體24,從而將破裂片外部環(huán)形部分41焊接到此。焊縫48位于在裝置本體24和螺母38 之間的空間或空腔內(nèi)，螺母用于將裝置10連接到接口 36。如所示，焊縫48在入口構(gòu)件26a 和出口構(gòu)件28a之間。在這種位置處設(shè)置焊縫48允許在不利用彈性體的情況下密封破裂 片30。焊縫48可以是常規(guī)的類(lèi)型，例如鎢極隋性氣體焊縫（'TIG焊縫'）或者電子束焊縫。 將焊縫設(shè)置在裝置10的周界和空腔內(nèi)，以致在裝置10被安裝在系統(tǒng)12中之后焊縫通常免 受大量張力或者壓力。在之前的設(shè)計(jì)中，彈性體〇型圈和焊縫是用于在閥體內(nèi)固定破裂片， 但是該構(gòu)造沒(méi)有如本文所描述的那樣，在高壓壓裂系統(tǒng)惡劣情況下的破裂片的疲勞壽命被 優(yōu)化。
[0034] 破裂片30是金屬材料，例如哈斯特洛伊C(Hastelloy C)材料。一個(gè)破裂片30的 破裂或者壓裂壓力取決于多個(gè)參數(shù)，包括破裂片30的厚度、圓頂壁部分42的高度和曲率半 徑、和在圓頂壁部分42中的刻痕46a的深度。如果壓力超過(guò)破裂片30的最大額定破裂壓 力，破裂片30將以非碎片（non fragmenting)方式沿著刻痕46a破裂，并且介質(zhì)22將通過(guò) 裝置本體24流過(guò)破裂片30以排放，釋放在流體介質(zhì)22中的壓力。如圖2E所示，由于該構(gòu) 造包括圓頂壁部分42的增加厚度，入口構(gòu)件26a在鄰接破裂片30的環(huán)形部分41和圓頂壁 部分42的接合部的孔40處具有倒圓角的內(nèi)部拐角27。當(dāng)圓頂壁部分在孔40中朝向閥體 入口 26延伸時(shí)，這給較厚的圓頂壁部分42提供了間隙。
[0035] 如上所述，在此的破裂片30具有圓頂壁部分42,其比之前的破裂片的對(duì)應(yīng)圓頂壁 具有較大的厚度。因而，刻痕46a具有工藝性上的優(yōu)選構(gòu)造，如圖9A-9D所示。與常規(guī)的破 裂片相比，刻痕46a更寬也更深（例如大約0. 33英寸），并且包括具有傾斜側(cè)面的中心凹口 46b，傾斜側(cè)面與凹口 46b相交，凹口 46b也具有與彎曲的刻痕線(xiàn)46a大致相同的深度，彎曲 的刻痕線(xiàn)46a在彎曲的徑向路徑上從其沿著圓頂壁部分42的凹面?zhèn)妊由臁?br> [0036] 裝置本體24的出口部分28a可以具有多種用于連接到另外硬件的構(gòu)造。如圖所 示，出口部分28a可以包括兩英寸1502螺紋端50,用于附接到附加的管等，但是也可以使用 其他的尺寸或連接類(lèi)型，例如三英寸的螺紋連接。徑向放大的螺紋端50(圖2B)允許流過(guò) 裝置10的介質(zhì)22被重新改向通過(guò)附加的管從而到達(dá)用于排放的另一個(gè)區(qū)域，或者到達(dá)將 來(lái)處理的等候區(qū)域。替代地，出口部分28a不需要用于連接到附加管等的螺紋或者是專(zhuān)用 連接結(jié)構(gòu)（圖2D)，其允許介質(zhì)22排放到靠近裝置10的安裝位置的環(huán)境中。
[0037] 如上所述，壓力釋放裝置10可以連接在卡車(chē)14的流體端16,輸送線(xiàn)路18,或者這 兩者。具有直的通孔40的裝置本體24與許多標(biāo)準(zhǔn)閥體相比具有簡(jiǎn)化和流線(xiàn)型的構(gòu)造，所 述標(biāo)準(zhǔn)閥體包括用于流體的各種彎曲和腔室以及在其中的移動(dòng)閥元件。在這點(diǎn)上，包括焊 接在閥體24中的破裂片30的裝置10,可以具有更小的質(zhì)量，并且比一般的閥體更輕。作為 舉例而非限制而言，在此的裝置10可以是大約6磅重。為了說(shuō)明，將描述當(dāng)附接到輸送線(xiàn) 路18時(shí)的壓力釋放裝置10的操作。
[0038] 再次參考圖1，壓力釋放裝置10通常附接到系統(tǒng)12,以使裝置本體24的通孔40a 和40b的中心軸線(xiàn)B可以如圖所示地垂直定位。垂直定位產(chǎn)生了直的垂直排放路徑，沒(méi)有 彎曲和轉(zhuǎn)向。當(dāng)排放到環(huán)境時(shí)，優(yōu)選的是由線(xiàn)性延伸的貫穿孔40a產(chǎn)生的直的或者線(xiàn)性延 伸的出口的垂直定位。然而，當(dāng)期望將過(guò)壓壓裂流體釋放到保持坑（holding pit)、地窖或 者其他容納區(qū)域時(shí)，在除了垂直定位之外，裝置10可以水平地定位，以通過(guò)螺紋連接到通 向流體容納區(qū)域的管道。在排放路徑中的彎曲或轉(zhuǎn)向通常對(duì)排放產(chǎn)生流動(dòng)阻力，這減緩了 排放過(guò)程。此外，通過(guò)彎曲的排放路徑的加高壓的流體可能導(dǎo)致閥從其連接狀態(tài)旋開(kāi)螺紋， 這可能導(dǎo)致朝向不期望區(qū)域的排放。然而，在此描述的壓力釋放裝置10的直的或線(xiàn)性的排 放路徑不受彎曲的排放路徑的流動(dòng)阻力，因此排放可以在更少阻力的情況下產(chǎn)生，并且更 快速地完成。這與標(biāo)準(zhǔn)閥體形成鮮明對(duì)比，所述標(biāo)準(zhǔn)閥體不僅在其排放路徑中包括彎曲，而 且，就像減壓閥，具有彈簧偏置力，該偏置力可以一致地促使閥元件抵靠流體流動(dòng)，這樣持 續(xù)地限制經(jīng)過(guò)閥構(gòu)件的流動(dòng)。例如，在15,000psig壓力下的試驗(yàn)已經(jīng)顯示，2英寸直徑的裝 置10每分鐘將流過(guò)超過(guò)1，500加侖，這是對(duì)應(yīng)的2英寸直徑減壓閥的公布流量的10倍，并 且比3英寸直徑的氮?dú)忾y的流量大50%。此外，垂直的排放路徑限定了到圍繞裝置10的限 制區(qū)域的排放介質(zhì)，因?yàn)檠b置10不易于旋開(kāi)。
[0039] 裝置10在接口 36處附接到輸送線(xiàn)路管18a之一，由于破裂片30保持在裝置10 中，密封輸送管18a的內(nèi)部與環(huán)境分開(kāi)。壓裂過(guò)程開(kāi)始，流體介質(zhì)22在高壓下被從卡車(chē)14 朝向井20泵送，并且最終進(jìn)入到巖層中。在泵送過(guò)程中，介質(zhì)22流過(guò)輸送線(xiàn)路管18a并且 流過(guò)連接在沿著輸送線(xiàn)路的中間位置處的壓力釋放裝置10。如果壓力低于裝置10的額定 破裂水平，以反向作用定位方式鄰接入口 26安裝的破裂片30將抵抗介質(zhì)22的壓力。
[0040] 當(dāng)壓裂過(guò)程的循環(huán)結(jié)束時(shí)，在輸送線(xiàn)路管18a內(nèi)的壓力將減退，裝置10將完整無(wú) 損并密封。在開(kāi)始新的壓裂循環(huán)之前，裝置10通常將不需要被替換。裝置10已經(jīng)測(cè)試過(guò) 達(dá)到350萬(wàn)次的循環(huán)而無(wú)需更換。具有以正向作用定位方式安裝的破裂片，破裂片將承受 估計(jì)250萬(wàn)次的循環(huán)。
[0041] 在壓裂過(guò)程中，在系統(tǒng)12內(nèi)部的壓力可能有波動(dòng)，并且壓力可能上升或者峰值超 過(guò)裝置10的破裂水平，有時(shí)這是因?yàn)樯车某叽缣蠖荒艽┻^(guò)井套管的穿孔或者由于井 下的其他堵塞。在裝置10的壓裂流體中的壓力超過(guò)這個(gè)水平時(shí)，破裂片30將破裂，介質(zhì)22 將流過(guò)垂直的排放路徑，排放到鄰接裝置10的安裝位置的環(huán)境中。可替換地，在流過(guò)垂直 的排放路徑之后，介質(zhì)22可以被重新引導(dǎo)至用于將來(lái)處理的等候區(qū)域。過(guò)壓流體的這種排 放或者重新導(dǎo)向減輕了在系統(tǒng)12中的過(guò)壓，至少減小了在與裝置10連接的輸送線(xiàn)管18a 中的過(guò)壓。
[0042] 在破裂片30破裂之后，系統(tǒng)操作員可以手動(dòng)地關(guān)閉系統(tǒng)12 (包括卡車(chē)14上的流 體泵），從而停止持續(xù)地排放介質(zhì)22并允許更換破裂片30,或者系統(tǒng)操作員可以選擇以使 得導(dǎo)致過(guò)壓的卡車(chē)14從系統(tǒng)脫離，并且繼續(xù)操作其他的連接卡車(chē)14?？商鎿Q地，如下進(jìn)一 步所述地，系統(tǒng)12可以自動(dòng)地檢測(cè)破裂片30已經(jīng)破裂了，并且系統(tǒng)12或者單獨(dú)的卡車(chē)14 可以根據(jù)操作員定義的設(shè)置手動(dòng)地或自動(dòng)地關(guān)閉。
[0043] 在停止之后，壓力釋放裝置10可以被替換，以使破裂過(guò)程可以在受影響的輸送線(xiàn) 路管18a中重新開(kāi)始。裝置10(包括其破裂片30)可以是一次性的。因此，系統(tǒng)操作員可 以快速地移除破裂的裝置10并且利用一個(gè)新的裝置10替換它。這比僅僅更換在本體內(nèi)的 破裂片30更有效率。通過(guò)使得包括裝置本體24的裝置10是一次性的并且容易地被更換， 系統(tǒng)操作員可以更快速地在排放事件之后重新開(kāi)始?jí)毫堰^(guò)程。實(shí)際上，輕量裝置10,例如大 約6磅，與現(xiàn)有泄壓閥相比，僅僅要求一個(gè)人進(jìn)行更換操作，所述現(xiàn)有泄壓閥會(huì)使用較笨重 的和較重的標(biāo)準(zhǔn)閥體，該標(biāo)準(zhǔn)閥體包括正向作用的破裂片，其需要兩個(gè)人來(lái)進(jìn)行更換操作。
[0044] 已經(jīng)參考在輸送線(xiàn)路18的安裝描述了裝置10,當(dāng)在卡車(chē)14的流體端16安裝時(shí)， 裝置10的操作和更換是類(lèi)似的。由于壓力上升到由破裂片30允許的最大水平之上，破裂 片30將破裂，允許介質(zhì)22垂直地排放到環(huán)境中或者被重新導(dǎo)向到用于處理的流體收集和 等候區(qū)域。
[0045] 參考圖3,壓裂系統(tǒng)12可以通常包括多輛流體輸送卡車(chē)14,這些卡車(chē)通過(guò)至共用 下游輸送線(xiàn)路50的其上游輸送線(xiàn)路18而并聯(lián)設(shè)置，也稱(chēng)為"導(dǎo)彈（missile) "，共用輸送線(xiàn) 路50注入到井20中，這將介質(zhì)22引導(dǎo)到井下以用于壓裂。在一些壓裂系統(tǒng)12中，12至 20輛卡車(chē)14可以連接到共用的輸送線(xiàn)路50。與其中一個(gè)卡車(chē)14相關(guān)的各個(gè)輸送線(xiàn)路18 可以配備有壓力釋放裝置10以通過(guò)系統(tǒng)操作員按照所需在系統(tǒng)12的不同位置釋放壓力。 即使由于在卡車(chē)14的流體端16的泵16a處或者在連接到卡車(chē)14的流體端16的輸送線(xiàn)路 18中的壓力上升而導(dǎo)致需要關(guān)閉其中一個(gè)卡車(chē)14,壓裂過(guò)程也可以繼續(xù)。
[0046] 參考圖4A和4B，一種經(jīng)修改的壓力釋放和檢測(cè)器裝置10a還可以包括傳感器52， 該傳感器檢測(cè)破裂片30是否已經(jīng)破裂。為了這個(gè)目的，傳感器52可以是流體流量傳感器， 其檢測(cè)在破裂片10下游的裝置l〇a中的流體流量。
[0047] 如所示，在一個(gè)例子中，流體流量傳感器52可以包括薄金屬膜54,其在加壓介質(zhì) 22流過(guò)膜54時(shí)開(kāi)啟。優(yōu)選地，傳感器52通常是圓盤(pán)形的，與破裂片30類(lèi)似，用于裝配在裝 置本體24的通常為圓柱狀的通孔40中。傳感器52包括不銹材料的環(huán)形墊片56,例如圍繞 膜54的合成塑料材料。膜54是金屬材料，例如不銹鋼316。膜54是傳導(dǎo)電路58的一部 分，當(dāng)膜54打開(kāi)時(shí)，電路將產(chǎn)生一種開(kāi)路，這產(chǎn)生了過(guò)壓信號(hào)59。明顯地，也可以使用其他 類(lèi)型的可以檢測(cè)破裂片30下游的流體流量的傳感器52。
[0048] 傳感器52安裝在鄰近破裂片30并位于其下游的壓力釋放和檢測(cè)器裝置10a內(nèi)。 這樣，當(dāng)在系統(tǒng)12中的流體壓力足夠高從而促使破裂片30破裂時(shí)，介質(zhì)22將流過(guò)裝置10 以排放，并且快速地打開(kāi)傳感器52的膜54。傳感器52經(jīng)由導(dǎo)線(xiàn)58a而電連接到PLC或類(lèi) 似的控制器60,因此控制器60將接收過(guò)壓信號(hào)59,以檢測(cè)傳感器52已經(jīng)打開(kāi)?？商鎿Q地， 傳感器52可以是壓力傳感器或者壓力計(jì)的形式，其檢測(cè)在破裂片30下游的裝置10a中的 壓力變化。變換器（transducer)也可以用作傳感器52。
[0049] 傳感器52和控制器60的一般操作在圖5中闡釋。控制器60將檢測(cè)電路58是打 開(kāi)的，并且產(chǎn)生流體過(guò)壓指示62。指示62可以是可視的或者可聽(tīng)的，或者這兩者，以警告操 作者破裂片30已經(jīng)破裂的警報(bào)/警告的形式。另外，或者可替換地，開(kāi)路可以產(chǎn)生自動(dòng)斷 開(kāi)信號(hào)，這促使系統(tǒng)12停止，并且根據(jù)系統(tǒng)操作員的要求操作，特別地關(guān)閉在卡車(chē)14的流 體端16處的流體泵16a。例如，操作者可能更愿意評(píng)估過(guò)壓和排放條件以能夠確定是否手 動(dòng)地關(guān)閉系統(tǒng)12?？商鎿Q地，在過(guò)壓的情況下，操作者可以希望系統(tǒng)12立即關(guān)閉，并且控制 器可以產(chǎn)生關(guān)閉指令63。
[0050] 傳感器52還可以在系統(tǒng)12的另一個(gè)位置與壓力釋放裝置10分開(kāi)地安裝，而不是 安裝在裝置本體24內(nèi)。在這種構(gòu)造中，傳感器52可以安裝在裝置10的更下游位置，例如 沿著排放介質(zhì)22的重新導(dǎo)向路徑或者在連接到裝置10的延伸部分內(nèi)。
[0051] 參見(jiàn)圖6A和6B，顯示了壓力釋放和檢測(cè)器儀器120,包括連接到如上所述的輸送 管18a的低壓釋放裝置100。低壓裝置100的破裂片30被構(gòu)造成具有參數(shù)，該參數(shù)實(shí)質(zhì)上 促使破裂片30在中間壓力級(jí)別破裂，例如低于系統(tǒng)12允許的最大壓力的級(jí)別。中間管延 伸部分102附接在低壓裝置100的出口端28,從此垂直地延伸。水平支路104從垂直定位 的延伸部分102延伸。用于管延伸部分102和支路104的其他定位也可以根據(jù)系統(tǒng)要求來(lái) 實(shí)施。傳感器52安裝在水平支管104內(nèi)，水平支管104位于垂直定位地延伸部分102和水 平支管104的封閉端106之間。
[0052] 延伸部分102的頂部包括高壓或較高壓釋放裝置108,其具有構(gòu)造成具有參數(shù)的 破裂片30,該參數(shù)促使破裂片30在系統(tǒng)12允許的最大壓力下破裂。排放延伸部分110附 接到高壓裝置108。排放延伸部分110可以垂直地延伸有開(kāi)口端112以允許排放到環(huán)境，或 者排放延伸部分110可以被構(gòu)造成將排放介質(zhì)22重新導(dǎo)向到等候區(qū)域或者其他遠(yuǎn)程位置。
[0053] 在該方法中，當(dāng)在系統(tǒng)12中的流體壓力增大到中間級(jí)別以上時(shí)，低壓裝置100的 破裂片30將破裂，允許被加壓的介質(zhì)22流入垂直的延伸部分102和水平支路104。當(dāng)介 質(zhì)22流入水平支路104時(shí)，傳感器52將打開(kāi)，發(fā)送信號(hào)59給控制器60,控制器指示已經(jīng) 達(dá)到中間壓力級(jí)別。在接收中間壓力信號(hào)59之后，如果需要，控制器60可以產(chǎn)生可聽(tīng)或者 可視的警告指示62,或者這兩者，例如警告系統(tǒng)操作員已經(jīng)達(dá)到了中間壓力級(jí)別的警報(bào)，或 者中間壓力信號(hào)59可以促使控制器60發(fā)送停止指令63給用于過(guò)壓情況的卡車(chē)14,如圖5 所示。在控制器60被構(gòu)造成當(dāng)其接收不會(huì)自動(dòng)地停止系統(tǒng)12的中間壓力信號(hào)59時(shí)啟動(dòng) 報(bào)警指示62,系統(tǒng)操作員可以選擇手動(dòng)地關(guān)閉與警報(bào)位置關(guān)聯(lián)的卡車(chē)14。例如，如果卡車(chē) 14之一在關(guān)聯(lián)的輸送線(xiàn)路管18a中產(chǎn)生中間壓力，但是其余的卡車(chē)14在可接受的范圍內(nèi)操 作，操作者可以選擇關(guān)閉產(chǎn)生中間壓力的卡車(chē)14,而允許其余的卡車(chē)14完成當(dāng)前的壓裂循 環(huán)，例如當(dāng)循環(huán)幾乎完成時(shí)。
[0054] 如果中間壓力信號(hào)59的接收沒(méi)有促使關(guān)聯(lián)的卡車(chē)14停止，壓裂過(guò)程將在警報(bào)指 示62啟動(dòng)之后持續(xù)，因?yàn)橹虚g壓力級(jí)別并不必然要求卡車(chē)14或者系統(tǒng)12停止。然而，在 壓力持續(xù)地升高超過(guò)系統(tǒng)12允許的最大級(jí)別時(shí)，高壓裝置108的破裂片30將破裂，并且介 質(zhì)22將流過(guò)高壓裝置108以排放到環(huán)境或者被重新導(dǎo)向到流體容納區(qū)域。
[0055] 因此，在這種構(gòu)造中，安裝在低壓裝置100和高壓裝置108之間的壓力傳感器52 能夠警告系統(tǒng)12操作員在壓力中的初始中間峰值，使得系統(tǒng)操作員調(diào)整泵送壓力或者關(guān) 閉關(guān)聯(lián)的卡車(chē)14,在該關(guān)聯(lián)的卡車(chē)14中，在卡車(chē)14的壓力或者其關(guān)聯(lián)的輸送線(xiàn)路18的壓 力達(dá)到最大允許級(jí)別之前已經(jīng)檢測(cè)到了警報(bào)。
[0056] 參考圖7A和7B，釋放箱（relief tank)或容器200連接到系統(tǒng)12,以提供流體壓 力和容積釋放，不要求與過(guò)壓情況關(guān)聯(lián)的卡車(chē)14停止。包括低壓傳感器204的低壓釋放裝 置202連接到輸送管18a。低壓裝置202被構(gòu)造為具有參數(shù)，該參數(shù)促使破裂片30在比系 統(tǒng)12允許的最大壓力低的壓力下破裂。釋放容器200包括入口管206,其附接到低壓裝置 202的出口端202a。容器200還包括出口管207,其附接到具有高壓傳感器210的高壓或 者較高壓釋放裝置208的入口端208a。排放延伸部分212附接到高壓裝置208的出口端 208b，其可以排放到環(huán)境或者將排放介質(zhì)22重新改向到流體容納區(qū)域。
[0057] 參考圖7A，7B和8,當(dāng)在系統(tǒng)12內(nèi)的卡車(chē)14的流體端16處的泵16a通過(guò)輸送線(xiàn) 路管18a泵送加壓介質(zhì)22時(shí)，介質(zhì)22將流過(guò)低壓裝置202并且流向井20。在壓力上升到 足夠高的級(jí)別時(shí)，低壓裝置202的破裂片30將破裂，并且介質(zhì)22將如圖所示地流過(guò)低壓裝 置202的直的、垂直的排放路徑。流動(dòng)的介質(zhì)22將促使低壓傳感器204打開(kāi)，產(chǎn)生由控制 器60接收的中間壓力信號(hào)59。
[0058] 根據(jù)控制器60的構(gòu)造，控制器60可以促使在與具有破裂低壓裝置202的輸送管 18a關(guān)聯(lián)的卡車(chē)14的流體端16的泵16a關(guān)閉，或者允許該卡車(chē)14持續(xù)其泵送操作，將中間 壓力信號(hào)59作為警告處理。如果中間壓力信號(hào)59是作為警告處理，控制器60將產(chǎn)生警告 指示62,可聽(tīng)的或者可視的，或者這兩者，以使系統(tǒng)操作員被警告，并且如果希望的話(huà)，可以 選擇手動(dòng)地關(guān)閉關(guān)聯(lián)的卡車(chē)14。在這點(diǎn)上，積累容器200為操作員提供額外的時(shí)間以關(guān)閉 泵16a，該泵正供應(yīng)流體到在其中具有過(guò)壓壓裂流體的輸送線(xiàn)路18。如果控制器60被構(gòu)造 為自動(dòng)關(guān)閉關(guān)聯(lián)的卡車(chē)，控制器將產(chǎn)生停止指令63。通過(guò)手動(dòng)地或自動(dòng)地停止用于較高壓 力的卡車(chē)14,壓裂過(guò)程可以通過(guò)允許連接到系統(tǒng)12的其他卡車(chē)14繼續(xù)其壓裂流體泵送操 作而繼續(xù)。
[0059] 在低壓裝置202已經(jīng)破裂之后，加壓介質(zhì)22將流過(guò)低壓裝置202,并且進(jìn)入到容 器200,以在其中積累加壓的壓裂流體介質(zhì)22。如所示，容器200可以相對(duì)于入口和出口管 206和207徑向地增大。作為舉例而非限制，容器200可以是大約18-24英寸的直徑，4-6 英尺長(zhǎng)，并且可以保持大約40-50加侖的流體。容器200提供壓力和容積釋放。在低壓裝 置202的區(qū)域中的壓力將由于容器200的體積增加而下降，并且進(jìn)入容器200的介質(zhì)22降 低在關(guān)聯(lián)的輸送線(xiàn)路18中的壓力。
[0060] 在壓力持續(xù)地上升并且卡車(chē)14沒(méi)有被關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)22將持續(xù)地在容器200中積 累，直到流體壓力上升得足夠高從而促使在高壓裝置208中的破裂片30破裂。高壓傳感器 210將打開(kāi)，并且產(chǎn)生將由控制器60接收的過(guò)壓信號(hào)59。當(dāng)控制器60接收到信號(hào)59時(shí)， 其指示在高壓裝置208的區(qū)域內(nèi)的流體壓力超過(guò)了許可的最大壓力值?？刂破?0可以被 編程以通過(guò)產(chǎn)生停止指令63來(lái)自動(dòng)地關(guān)閉系統(tǒng)12,或者它可以被編程來(lái)產(chǎn)生警告指示62， 警告指示62將警告系統(tǒng)操作員系統(tǒng)過(guò)壓情況，系統(tǒng)操作員然后可以手動(dòng)地關(guān)閉系統(tǒng)12。從 高壓裝置10排放的介質(zhì)22可以排放到環(huán)境，或者被重新導(dǎo)向到容納區(qū)域。
[0061] 因此，利用設(shè)置在不同破裂級(jí)別的低壓裝置202和高壓裝置208,在壓力達(dá)到最大 級(jí)別之前允許中間信號(hào)59被發(fā)送給控制器60。根據(jù)系統(tǒng)操作員的要求，關(guān)聯(lián)的卡車(chē)14可 以在區(qū)域內(nèi)的壓力超過(guò)最大允許級(jí)別之前被手動(dòng)地或者自動(dòng)地關(guān)閉。這種構(gòu)造可以允許整 個(gè)壓裂過(guò)程連續(xù)地進(jìn)行，同時(shí)使得導(dǎo)致過(guò)壓的卡車(chē)14與系統(tǒng)脫離。
[0062] 上面的大部分說(shuō)明已經(jīng)描述了壓力釋放裝置10及其在流體輸送線(xiàn)路18的關(guān)聯(lián)元 件的使用。這些相同的裝置10和元件還可以連接流體輸送卡車(chē)14的流體端16。當(dāng)放置在 該位置時(shí)，裝置10將類(lèi)似地釋放積聚在卡車(chē)14的流體端16的壓力，將信號(hào)59發(fā)送給控制 器60用于隨后的指示62或者停止指令63,并且根據(jù)需要排放或者重新導(dǎo)向介質(zhì)22。
[〇〇63] 盡管已經(jīng)圖示和描述了本發(fā)明的特別實(shí)施方式，但是應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)的是，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以做出許多變化和改變，并且隨附權(quán)利要求旨在涵蓋落入本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神和范圍 內(nèi)的所有變化和修改。
【權(quán)利要求】
1. 一種壓力釋放裝置，其用于減緩在高壓流體輸送系統(tǒng)中的過(guò)壓情況，該壓力釋放裝 置包括： 閥體，該閥體具有入口和出口，以及在入口和出口之間線(xiàn)性延伸的通孔； 破裂片，該破裂片固定在閥體中；以及 破裂片的易碎圓頂壁部分，該圓頂壁部分具有在閥體孔中的反向作用的定位，以使得 其凸面朝向閥體的入口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力釋放裝置，其中破裂片的圓頂壁部分具有與凸面相對(duì)的 凹面，以及 在凹面中的刻痕，該刻痕被構(gòu)造成使得當(dāng)預(yù)定流體壓力到達(dá)凸面上時(shí)，圓頂壁部分將 以預(yù)定的方式破開(kāi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力釋放裝置，其中所述刻痕包括中心凹口以及從圓頂壁部 分中的中心凹口延伸的彎曲徑向刻痕線(xiàn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力釋放裝置，其中閥體包括不同的入口和出口構(gòu)件，所述 破裂片具有固定在入口和出口構(gòu)件之間的一平坦的、環(huán)形的部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力釋放裝置，其中入口構(gòu)件在與之相鄰的破裂片的平坦 的、環(huán)形部分和圓頂壁部分的結(jié)合部分的通孔處具有倒圓角的拐角，以使倒圓角的拐角提 供用于圓頂壁部分的間隙。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力釋放裝置，其中閥體和破裂片重大約6磅。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力釋放裝置，其中閥體入口具有1502型連接，以使閥體被 構(gòu)造成連接到高壓流體線(xiàn)路，閥體出口具有連接結(jié)構(gòu)用于被連接到將過(guò)壓流體引導(dǎo)至遠(yuǎn)程 區(qū)域的管道，或者沒(méi)有用于將過(guò)壓流體排放到環(huán)境中的連接結(jié)構(gòu)。
8. -種水力壓裂系統(tǒng)，該水力壓裂系統(tǒng)包括： 至少一個(gè)泵，其用于給壓裂液加壓； 至少一條輸送線(xiàn)路，其用于接收被加壓的壓裂流體并將被加壓的壓裂流體輸送到井； 至少一個(gè)沿著輸送管線(xiàn)路安裝的壓力釋放裝置，當(dāng)流體達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，該壓力釋放 裝置可操作地允許被加壓的壓裂流體流過(guò)；以及 傳感器，其用于檢測(cè)壓力釋放裝置下游的流體流量，以及用于當(dāng)檢測(cè)到下游的流體流 量時(shí)使得泵停止。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水力破裂系統(tǒng)，其中傳感器是壓力計(jì)或變換器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水力破裂系統(tǒng)，其中傳感器具有導(dǎo)電電路，該電路包括導(dǎo)電 膜，該導(dǎo)電膜被構(gòu)造成使得當(dāng)膜通過(guò)來(lái)自壓力釋放裝置下游的流體流量打開(kāi)時(shí)，電路將產(chǎn) 生信號(hào)以指示流體已經(jīng)達(dá)到用于流動(dòng)通過(guò)壓力釋放裝置的預(yù)定壓力。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水力壓裂系統(tǒng)，其中壓力釋放裝置包括本體和在本體內(nèi)的 圓頂破裂片，并且傳感器安裝在本體中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水力壓裂系統(tǒng)，其包括連接到傳感器的控制器，控制器被構(gòu) 造為當(dāng)流體已經(jīng)達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)產(chǎn)生指示信號(hào)從而使得操作員關(guān)閉泵或者被構(gòu)造為當(dāng)流 體已經(jīng)達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)促使泵自動(dòng)地關(guān)閉。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水力壓裂系統(tǒng)，其中壓力釋放裝置包括低壓釋放裝置和在 低壓釋放裝置下游的高壓釋放裝置，并且低壓釋放裝置被構(gòu)造為允許被加壓的壓裂流體在 預(yù)定的低壓下流過(guò)，該預(yù)定的低壓比預(yù)定的高壓低，在該預(yù)定的高壓下，允許被加壓的壓裂 流體流過(guò)高壓釋放裝置。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的水力壓裂系統(tǒng)，其中傳感器設(shè)置在低壓和高壓釋放裝置之 間，以允許操作員調(diào)整在泵處的泵送壓力或者基于在預(yù)定低壓或預(yù)定低壓之上的、但是低 于預(yù)定高壓的加壓壓裂流體而關(guān)閉泵。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的水力壓裂系統(tǒng)，其包括位于在低壓和高壓釋放裝置之間的 流體連通內(nèi)的徑向擴(kuò)大的積累容器。
16. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水力壓裂系統(tǒng)，其中泵是可操作的以產(chǎn)生大約6, OOOpsig到 大約15, 500psig的壓裂流體壓力。
17. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水力壓裂系統(tǒng)，其中壓力釋放裝置沿著輸送線(xiàn)路鄰近泵、沿 著輸送線(xiàn)路鄰近井、或者在輸送線(xiàn)路和井之間的任何位置安裝。
18. -種水力壓裂系統(tǒng)，該水力壓裂系統(tǒng)包括： 至少一個(gè)泵，其用于給壓裂流體加壓； 至少一條輸送線(xiàn)路，其用于接收加壓的壓裂流體和將加壓壓裂流體輸送到井；和 至少一個(gè)沿著輸送線(xiàn)路安裝的壓力釋放裝置，其具有反向作用的圓頂破裂片，當(dāng)流體 達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，破裂片可操作地允許加壓壓裂流體流過(guò)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的水力壓裂系統(tǒng)，其包括傳感器，該傳感器用于檢測(cè)壓力釋 放裝置下游的流體流量，以及用于當(dāng)檢測(cè)到下游的流體流量時(shí)允許泵關(guān)閉。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的水力壓裂系統(tǒng)，其中壓力釋放裝置是沿著輸送線(xiàn)路鄰近 泵、沿著輸送線(xiàn)路鄰近井、或者在輸送線(xiàn)路和井之間的任何位置安裝。
【文檔編號(hào)】E21B43/247GK104066927SQ201280066365
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月7日
【發(fā)明者】R·F·埃文斯, D·G·斯托克斯蒂爾, D·W·班克斯 申請(qǐng)人:安賽科公司