(57)【要約】  破裂起動圧力より大幅に高い背圧を耐えることが可能である活性破裂ディスクユニットが提供される。本ユニットは、流体通路を有する管状筐体を含む。テーパ形状の壁構造は、少なくとも、流体流入口より大きい領域である流体流出口を持つ通路の一部を規定する。破裂ディスクは筐体によって担持され、通路に対して流体を遮断する関係にある中央の湾曲セクションを有する。テーパ状の自己解放むくの個体プラグは、通路のテーパ状部分に一致するよう配置される。プラグは、破裂ディスクの中央セクションに対して全体をサポートするように形成されまた配置される曲面を有する。プラグは、ディスクの起動圧力より実質的に大きい背圧下で、ディスクの中央セクションの破裂を防ぐために十分な質量を持つ。
2010516928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
破裂起動圧力より実質的に高い背圧を耐えることが可能である起動破裂ディスクユニットであって、
流体起動通路を有し、前記流体起動通路の少なくとも一部を規定する壁構造を備え、前記通路の一部が、流入口と流出口とを有し、前記壁構造が、前記起動通路の一部の前記流入口が前記流出口の領域より小さい面積となるような方向にテーパ状である管状筐体と、
その中央セクションが、前記起動流体通路の前記テーパ状の部分の前記出口に対して、流体を遮断する関係となるように、前記筐体内に取り付けられる破裂ディスクと、
前記破裂ディスクの前記中央セクションを支持する関係で、前記流体起動通路の前記テーパ状部分に設置され、前記壁構造の前記テーパ状部分と、前記ディスクの前記中央セクションとのそれぞれに一致する面を有するとともに、前記ディスクの前記起動圧力より実質的に大きい背圧下で、該ディスクの破裂をサポートし、かつ防止するのに十分な質量であるテーパ状の自己解放プラグとを有する起動破裂ディスクユニット。
【請求項２】
前記プラグは、むくの個体モノリシックボディである請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項３】
前記プラグは、前記起動圧力に対する前記背圧の比に比例する直径を持つ、前記プラグを通る軸方向に伸びる通路を有する請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項４】
前記プラグは、略円錐形である、請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項５】
前記破裂ディスクは、前記通路の前記テーパ状部分の前記出口を横切って延在する中央湾曲セクションを有し、前記湾曲セクションは、対向する凹面及び凸面を有し、前記プラグは、前記破裂ディスクの前記基部の凹面に略一致しかつ係合する半球端面を有する請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項６】
前記プラグの最大軸長に対する、前記プラグの最大直径の比が、およそ０．７である請求項５に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項７】
前記ディスクの前記湾曲セクションの直径が、約１／８インチから約４インチの範囲内である請求項４に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項８】
前記プラグは、前記ディスクの前記起動圧力の少なくとも約１０倍の大きさの圧力下で、前記破裂ディスクの前記中央セクションを支持するサイズ及び質量である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項９】
前記プラグは、少なくとも約５０，０００ｐｓｉｇの背圧を支持するサイズ及び質量である、請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１０】
前記プラグは、少なくとも約３５，０００ｐｓｉｇの背圧を支持するサイズ及び質量である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１１】
前記破裂ディスクの前記中央セクションは、約１，０００から約８，０００ｐｓｉｇの起動圧力下で破裂する請求項９に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１２】
前記破裂ディスクの前記中央セクションは、約５，０００から約６，０００ｐｓｉｇの起動圧力下で破裂する請求項９に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１３】
前記ユニットの耐性圧力に対する起動圧力の比が、約１：２から約１：５０ｐｓｉｇである請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１４】
前記ユニットの耐性圧力に対する起動圧力の比が、約１：１０から約１：５０ｐｓｉｇである請求項１３に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１５】
前記筐体は、前記ユニットが、油井仕上げツールのネジ式開口に挿入されるようにするため、外部ネジを具備する請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１６】
前記筐体が、円筒状ボディ及び円筒状入口リングを有し、前記破裂ディスクが、前記ボディ及び前記入口リングとの間にクランプされる周辺フランジを備える請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１７】
前記起動通路を規定する前記壁構造は、約１６°から約３５°の角度のテーパ形状である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１８】
前記起動通路を規定する前記壁構造は、約２５°の角度のテーパ形状である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項１９】
前記プラグは、金属材料製である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２０】
前記プラグは、セラミック材料製である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２１】
前記プラグは、強化合成樹脂材料製である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２２】
前記プラグは、グラファイト材料製である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２３】
前記プラグは、壊れ易い材料製である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２４】
前記プラグは、低融点の可溶材料製である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２５】
前記筐体及び前記破裂ディスクは、異なる金属製である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２６】
前記壁構造は、前記流体起動出口を規定し、かつ前記起動通路の前記テーパ状部分の内側に位置する略円筒状セグメントを含み、前記破裂ディスクは、前記流体起動通路の前記テーパ状部分及び前記円筒状セグメントとの間の、それらの接合帯域に位置する前記ディスクの前記湾曲セクションと共に配置される請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２７】
前記壁構造は、前記流体起動出口を規定し、かつ前記起動通路の前記テーパ状部分の外側に位置する略円筒状セグメントを含み、前記破裂ディスクは、前記流体起動通路の前記テーパ状部分及び前記円筒状セグメントとの間の、それらの接合帯域に位置する前記ディスクの前記湾曲セクションと共に配置される請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２８】
前記破裂ディスクは、前記破裂圧力の約９０％までのフル耐性背圧の１００サイクルを耐えることが可能である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項２９】
前記破裂ディスクは、約４０°Ｆから約３５０°Ｆの範囲内の温度で、選択された破裂圧力で動作することが可能である請求項１に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項３０】
前記破裂ディスクの前記湾曲セクションの最大の高さと、前記湾曲セクションの前記直径の比が、約１：２．５である請求項５に記載の起動破裂ディスクユニット。
【請求項３１】
高い背圧を耐えることが可能である破裂ディスクユニットであって、
流体通路を有し、前記流体通路の少なくとも一部を規定する壁構造を備え、前記通路の一部が、流入口と流出口とを有し、前記壁構造が、前記流体通路の一部の前記流入口が前記流出口の領域より小さい領域となるような方向にテーパ状である管状筐体と、
前記筐体内によって担持され、前記流体通路に対して流体を遮断する関係にある中央セクションを有する破裂ディスクと、
前記破裂ディスクに対して支持する関係で、前記流体通路に存在し、前記ディスクが、前記壁構造の前記テーパに一致するように形成され、かつ、前記ディスクの中央セクションに対して支持する関係で、前記ディスクの中央セクションに略一致する面を有するテーパ状の自己解放プラグとを有する破裂ディスクユニット。
【請求項３２】
高い背圧を耐えることが可能である破裂ディスクユニットであって、
流体通路を有し、前記流体通路の少なくとも一部を規定する壁構造を備え、前記通路の一部が、流入口と流出口とを有し、前記壁構造が、前記流体通路の一部の前記流入口が前記流出口の領域より小さい領域となるような方向にテーパ状である管状筐体と、
前記筐体内によって担持され、前記流体通路に対して流体を遮断する関係にある中央セクションを有する破裂ディスクと、
前記破裂ディスクに対して支持する関係で、前記流体通路に存在し、前記ディスクが、前記壁構造の前記テーパに一致するように形成され、かつ、前記ディスクの中央セクションに対して支持する関係で、前記ディスクの中央セクションに一致する面を有するテーパ状の自己解放プラグと、
前記プラグに対する流体圧力の下で、前記流体通路から前記プラグが外れる時に、前記プラグを捕捉するための前記プラグと対応して動作可能な要素とを有する破裂ディスクユニット。
【請求項３３】
前記要素が前記プラグに固定されている請求項３２に記載の破裂ディスクユニット。
【請求項３４】
前記要素は、略Ｔ型の形状であり、前記プラグに固定された幹部分と、前記流体通路の外部に位置する長い横材とを有し、前記横材は、前記流体通路の前記入口の直径より大きい長さである請求項３２に記載の破裂ディスクユニット。
【請求項３５】
前記横材は、分岐した形状である請求項３４に記載の破裂ディスクユニット。
【請求項３６】
前記要素は、プラグに対する流体圧力の下で、前記流体通路から前記プラグが外れる時に、前記プラグが前記筐体から離脱することを防ぐための前記プラグに動作可能連結されたヒンジ装置を有する請求項３２に記載の破裂ディスクユニット。
【請求項３７】
前記ヒンジ装置は、前記プラグ及び前記破裂ディスクの間に設置され、前記プラグに取り付けられる中央ヒンジセクションを有し、前記ヒンジセクションは、前記流体通路を遮断する位置から前記プラグが外れる時に開き、また前記プラグを捕捉する請求項３６に記載の破裂ディスクユニット。
【請求項３８】
前記ヒンジ装置は、前記中央ヒンジセクションを規定する、虚弱部の略Ｕ型のスリットまたはラインを有する請求項３７に記載の破裂ディスクユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、破裂起動圧力より大幅に高い背圧に耐えることができる、起動破裂ディスクユニットに関する。石油探査及び回収における主要な問題は、圧力起動装置の不具合である。破裂ディスクユニットは、多数の油田ダウンホールの仕上げ及び生産装置のいずれか１つを作動させるのに、特に有用であるが、深海、宇宙空間、変圧器、及び高圧力容器を含む、高い差背圧への耐性を必要とする他の用途でも使用可能である。
【０００２】
起動ディスクは、１，０００から８，０００ｐｓｉｇ位の起動圧力で破裂可能である一方、少なくとも約２０，０００ｐｓｉｇ、またはそれ以上、例えば３５，０００ｐｓｉｇから約５０，０００ｐｓｉｇ程度までの差背圧に耐えることが可能であることが好ましい。直径１／４インチのディスクの破裂圧力は、約１，０００ｐｓｉｇであり、９０％の動作比まで、より大きいサイズの破裂圧力より低い。さらに、そのユニットの破裂ディスクは、破裂圧力の９０％に対して少なくとも約１００サイクルのフル背圧が課される時、過度に疲労しないことが望ましく、また普通は油井のダウンホールで遭遇する４０°Ｆ程度の低温から３５０°Ｆ程度の高温の温度範囲内で、信頼性を持って動作しなければならない。
【背景技術】
【０００３】
破裂ディスクは、これまで、様々なダウンホール油井での用途に用いられてきた。ＵＳ特許５、９９６、６９６では、装置が、油井ケーシングでの石油配送チュービングの完全性のテストのため提供されている。端と端がつながれた一連のパイプストリングセクションの下方に連結された管状ホルダは、ホルダの通路を通常は封鎖する破裂ディスクを備える。ホルダが所定の位置にある、パイプストリングは、隣接する一対のチュービングセクション間の連結の完全性をテストするのに十分である流体圧力に課される。一旦いずれのパイプストリングセクションの連結に漏れがないことが決定されると、チュービングストリングは、ディスクを破裂させる程度まで過圧され、これにより、ホルダを開放し、パイプストリングと連通する通路を提供する。この井戸テストでの破裂ディスクの用途において、破裂ディスクの両サイドの圧力は、差背圧を耐えるディスクの能力を決して超えない。
【０００４】
もう１つのダウンホールでの破裂ディスクの用途では、破裂ディスクは、パイプストリングの下端セクションに連結される管状ホルダの側壁において、吸水ロッドや他のタイプのポンプの直上に取り付けられる。ポンプの保守や交換が必要な場合、これはダウンホールの状態によって数週間から数か月と頻度は様々であるが、チュービングストリングは、ディスクを破裂させる程度まで地表の圧力源から過圧されることが可能で、これにより、セクションが順に地表まで引っ張られ、一度に一つずつ外される時、パイプストリングの液体を、ストリングから排出させることができる。このように、井戸から引き出され、下方のパイプセクションから外される時、各セクションからの石油の漏出が回避される。ここで再び、排出弁ディスクの圧力差は、ディスクを早期に破裂させるほど大きくない。
【０００５】
しかしながら、当該技術分野において、とても高い様々な差背圧を耐えることが可能であるが、同時に著しく低い起動圧力の下で、確実に選択的に開放できる、起動破裂ディスクユニットが長年にわたって求められてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これまでに満たされていない要求は、設計起動圧力と比較して非常に高い差背圧に耐える、また、４０°Ｆ程度の低温から３５０°Ｆ程度の高温の温度範囲内で、破裂圧力の９０％に対して少なくとも約１００サイクルのフル背圧を確実に耐える起動破裂ディスクユニットに対するものであった。破裂ディスクユニットは、Ｏリングで密閉可能で、支持部材に容易に取付及び交換可能で、経済的に製造され、油田井孔でしばしば遭遇する腐食状態を耐えることが可能でなければならなかった。これらの困難な課題は、本発明によって満たされた。
【０００７】
破裂ディスクユニットは、起動流体通路を有する筐体、及び通路に対して通常には流体遮断関係にある湾曲破裂ディスクを含む。流体通路の一部は、テーパ状部分の流入口が、流出口の領域より小さい領域であるようにある方向に細くなる。湾曲破裂ディスクは、起動流体通路のテーパ部分の流出口に対して、流れを遮断する関係でその中央セクションに配置されるように、筐体内に取り付けられる。破裂ディスクの凸面は、テーパ状起動流体通路のより大きい側の端部から離れる方向に対向する。テーパ状の、一般には円錐形の、自己解放するむくの個体プラグは、テーパ状通路にその最大端面で破裂ディスクの湾曲セクションの凹面と一致係合するように、相補的に収容される。プラグは、プラグの大きい側の面に向かう方向へ破裂ディスクに加えられる高い差背圧の下で、プラグがテーパ状通路に詰められる時、ディスクの破裂をサポートし、防止するのに十分な質量である。しかしながら、起動圧力が破裂ディスクの凹面に向かう方向にプラグに加えられる時、プラグが、テーパ状通路からすぐに解放され、それによって、ディスクの湾曲セクションの破裂を可能にする。
【０００８】
本発明の１つの実施形態において、プラグへの流体圧力の下、流体通路から取り外される際のプラグを捕捉するために、要素がプラグと対応して動作するように提供される。この要素は、Ｔ型器具の形状でもよく、その幹部分は、器具の横材が、流体通路の外部に位置する間、プラグに取り付けられる。器具の幹部分は、器具の横材が起動ユニットの管状筐体に接触して固定される前に、プラグが流体通路から実質的に移動されるような長さである。捕捉器具の他の形態は、プラグ及び主破裂ディスクの間に間置された第２のディスクから成ってもよく、第２のディスクは、プラグに溶接などによって取り付けられるヒンジセクションを形成するＵ型ラインの脆弱部を有する。流体通路からのプラグの流体圧力離脱の際、プラグに連結されたＵ型ヒンジセクションが第２のディスクの本体から曲げられるので、プラグは捕捉され、筐体の中に保持される。
【０００９】
破裂ディスクの湾曲領域の直径は可変であるが、通常、約１／８から約４インチの範囲内であり、しかし大きいサイズが高圧に耐えさせる特定の用途に対して用いられてもよい。半球の端面を有する円錐プラグは、破裂ディスクの起動圧力の少なくとも約１０倍の圧力の下で、破裂ディスクの中央セクションをサポートするサイズと質量である。起動圧力とユニットの差耐圧との比は、好ましくは約１：１０から約１：５０であるが、ユニットは、起動圧力と差耐圧との比が１：２のオーダである用途で使われてもよい。破裂ディスクの湾曲セクションの最大高さと湾曲セクションの直径との比は約１：２．５である。プラグの最大の軸長に対するプラグの最大直径の比はおよそ０．７である。様々な材料が起動破裂ディスクユニットの製造のために使用されてもよいが、ユニット筐体及びプラグは、ステンレススチールの棒材料から製造され、破裂ディスクはインコネルから製造されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の起動破裂ディスクユニットの１つの実施形態の一方からの斜視図、
【図２】図１に図示される起動破裂ディスクユニットの反対側からの斜視図、
【図３】図１の起動破裂ディスクユニットの上面図、
【図４】図１の起動破裂ディスクユニットの平面図、
【図５】図１の起動破裂ディスクユニットの底面図、
【図６】図１の破裂ディスクユニットの拡大分解斜視図、
【図７】図３のライン７−７に沿った、図１の起動破裂ディスクユニットの拡大縦断面図、
【図８】例えば、油井のダウンホールに使用されてもよい装置を通る概略縦断面図であり、装置のピストンスリーブの動作位置に取り付けられた図１の起動破裂ディスクユニットを図示する、
【図９】明瞭にするために一部が破断されている、図８の装置を通る概略横断面図、
【図１０】本発明の起動破裂ディスクユニットの他の実施形態の一方からの斜視図、
【図１１】図１０に図示された起動破裂ディスクユニットの反対側の斜視図、
【図１２】図１０の起動破裂ディスクユニットの上面図、
【図１３】図１０の起動破裂ディスクユニットの平面図、
【図１４】図１０の起動破裂ディスクユニットの底面図、
【図１５】図１０の起動破裂ディスクユニットの拡大分解斜視図、
【図１６】図１２のライン１６−１６に沿った、図１０の起動破裂ディスクユニットの拡大縦断面図、
【図１７】プラグが流体通路から離脱する際に、筐体内のプラグを捕捉しかつ保持するように動作可能である要素を含む、起動破裂ディスクユニットの別の実施形態の一方からの斜視図、
【図１８】図１７の起動破裂ディスクユニットの縦断面図、
【図１９】捕捉要素がユニットが起動する時にプラグがユニットの筐体から放出されることを防止する様子を示す図１７に類似の縦断面図、
【図２０】プラグを捕捉しかつユニットの筐体から放出されることを防止するために、起動破裂ディスクユニットの筐体に組み込まれてもよい第２のディスクの斜視図、
【図２１】プラグが筐体から放出されることを防止する第２のプラグ捕捉ディスクを組み込んだ起動破裂ディスクユニットの別の実施形態の縦断面図、
【図２２】ユニットの起動の際に、プラグが捕捉されかつ筐体から放出されることを防止されている様子を図示する、図２１の実施形態の縦断面図、
【図２３】破裂ディスクの中央セクションをサポートするプラグに小さい、軸方向に伸びる、プラグを通る流体通路が設けられている本発明の別の実施形態を図示する、図７に類似の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１〜６に示される本発明の実施形態の起動破裂ディスクユニットが、番号２０により広く示される。破裂ディスクユニット２０は、好ましくはステンレススチールの棒材料から機械加工される管状筐体２２を有する。筐体２２は、環状ステンレススチール製入口ボディ２４及び別体の環状ステンレススチール製出口部材２６を備える。インコネル製の湾曲破裂ディスク２８は、図７に最も良く示されるように、ボディ２４及び部材２６との間に配置される平坦な周辺部分２８ａを有する。破裂ディスク２８の製造に使用され得る他の材料は、特に、ステンレススチール、ハステロイ、及びアルミニウムである。ボディ２４及び部材２６の外縁は、湾曲破裂ディスク２８の周辺部分２８ａの外側端部と共に、一体型のアセンブリを形成するように溶接などにより結合されることが好ましい。
【００１２】
部材２６は、中央起動流体通路３０を有し、これは、通路３０のテーパ状、好ましくは円錐形の通路部分３４と同軸であり、かつ連通する最外円筒セグメント３２を含む。部分３４は、柱円筒セグメント３２より軸方向に長い。起動通路３０のテーパ状部分３４の傾斜度は約１６°から約３５°の範囲であることが好ましい。
【００１３】
環状入口ボディ２４を通って延在する通路３０の流体放出通路部分３６は、通路３０と同軸であり、起動通路３０の通路部分３４より実質的に直径が大きい。通路部分３６の直径は、破裂ディスク２８の湾曲セクション３８の直径と同じであることが好ましい。出口部材２６の、内側に延在する一体型の環状リップ部分４２の外面４０は、破裂ディスク２８の湾曲セクション３８の内側凹面４４と相補的に係合するよう湾曲する。
【００１４】
テーパ状で、略円錐で、自己解放する、むくの個体のモノリシックプラグ４６は、テーパ状通路３４に相補的に係合して配置される。プラグ４６は、起動通路３０のテーパ状部分３４の軸長とほぼ等しい軸長であることが好ましい。プラグ４６の半球状端面セグメント４８は、破裂ディスク２８の湾曲セクション３８の内側凹面４４と相補的に係合してサポートするよう構成されている。環状出口部材２６のリップ部分４２の外側円状エッジは、プラグ４６の半球状端面セグメント４８の円周方向に延在するエッジと滑らかに一体化するように構成されるべきである。円錐プラグの軸に平行であり、かつ端面セグメント４８がプラグの曲線面と一体化するエッジを通って延在する仮想線に対して、プラグ４６の外側の湾曲面への接線が、２５°の角度であることが好ましい。ここで使用される“自己解放プラグ”は、プラグのテーパ部及びそのための関連通路が過度に狭い場合、プラグ４６はテーパ状通路に入り込む傾向があることを意味する。一方、テーパ角度が大きすぎる場合、プラグ４６は、移動し、かつ高圧負荷の下で所定の位置に適切に保持されない傾向がある。プラグ４６の面５０は、平坦で、通路３０の円筒セグメント３２とテーパ状部分３４との接合域と一致させて配置されることが好ましい。プラグ４６もまた、ステンレススチールから製造されることが好ましい。
【００１５】
環状入口ボディ２４の通路部分３６は、六角の取付及び取外工具の受け入れのため、断面が六角形の構造であり、また、工具に対応するため、軸方向に延在し、内側方向を向き、間隔のあいた、断面がＶ型の６つのキャビティ５２が備えられている。環状入口ボディ２４は、ユニット２０が螺合可能に取り付けられる構造の決められた位置に破裂ディスクユニット２０を保持するための外ネジ５４を備える。
【００１６】
起動破裂ディスクユニット２０の最も多い用途では、環状入口ボディ２４及び環状出口部材２６から成る管状筐体は、直径が約１／８インチから約４インチである湾曲セクション３８を有する破裂ディスクに対応するサイズである。プラグの最大の軸長に対するプラグの最大直径の比率が約０．７であるステンレススチールのプラグ４６を用いることにより、プラグ４６は、破裂ディスク２８の湾曲セクション３８の起動圧力の少なくとも約１０倍の大きさの差背圧の下で、破裂ディスク２８の中央湾曲セクション３８の破裂をサポートしかつ防止するために十分な質量であることが見出された。通路部分３４のテーパ及び、円錐プラグ４６の湾曲面の対応するテーパは、１６°から３５°の範囲内であることが好ましく、最も好ましくは約２５°である。テーパ角度をこの範囲内に維持することにより、プラグ４６は、約１，０００ｐｓｉｇから８，０００ｐｓｉｇの範囲内の、最も一般的には５，０００から６，０００ｐｓｉｇの範囲の最も望ましい起動圧力で自己解放する。ステンレススチールが、プラグ４６及び筐体２０の構成のために好ましい材料であるが、起動破裂ディスクユニット２０の使用中に耐えなければならない差背圧に応じて、他の同様な金属材料が使用されてもよい。筐体のための代替材料は、インコネル、ハステロイ、及びアルミニウムなどの金属を含み、一方、プラグ４６は、さらに、セラミック組成物、エポキシ樹脂などの強化合成樹脂材料、グラファイトや他の同様な壊れ易い材料、グラスファイバ強化炭素質製品、または、例えば約３００°Ｆから３５０°Ｆの範囲内の温度で溶ける、低融点の共晶または可融合金から製造されてもよい。
【００１７】
１／４インチの湾曲セクション３８を持つ破裂ディスクを対象とした例示的なプラグ４６は、例えば、直径１／４インチで３／８インチの長さの３１６ステンレススチール棒材料から加工されてもよい。このプラグの湾曲面４８は一般的に半径０．１５４インチである。端面セグメント４８の円周エッジで計測されたプラグ４６の全体の最大直径は、０．１７８インチである。プラグの全高は０．１２５インチである。円錐プラグ４６の好ましいテーパは、２５°であり、従って、面５０の面積は、プラグのテーパ面の角度の関数である。
【００１８】
図８及び９は石油仕上げ及び生産分野において、起動破裂ディスクユニット２０の１つの有用な適用を概略的に示す。これらの図の概略的描写において、ダウンホール油井ツール５８の外管５６は、管５６及び内管６２との間に位置する可動スリーブピストン６０を収容する。Ｏリング６４は、ピストン６０の外面及び管５６の内面との間の密封を提供し、一方、Ｏリング６６は、ピストン６０の内面及び管６２の外面との間に密封を提供する。起動破裂ディスクユニット２０はピストン６０の外面に螺入され、通路部分３６は、ピストン６０の外面及び管５６の内面の間の、Ｏリングシール６４の下方の空間と連通する。通路３０の円筒セグメント３２は、ピストン６０の内面と管６２の外面との間の、Ｏリング６６の上方の空間に開口しているピストン６０のポート６８と連通する。半径方向に配置された複数の通路７０は、チャンバ７４とチャンバ７６とを連通させる。Ｏリング６４及び６６は、共同的に、それらの片側にチャンバ７２を規定し、かつ、それらの反対側にチャンバ７４を規定する。管６２の内側には、長いチャンバ７６が設けられている。図８の概略図において、チャンバ７２は、記号ＰＦ（ＬＯ）を有し、一方、記号ＰＢ（ＨＩ）はチャンバ７４及び７６にある。これらの記号は、ツール５８の操作の間の各チャンバに存在する圧力状態を示す。
【００１９】
ツール５８の例示的な使用では、チャンバ７２は、窒素などのガスで、地表レベルにおいて、例えば３，５００ｐｓｉｇの所定の圧力まで加圧されてもよい。チャンバ７２の加圧は、チャンバ７２及びチャンバ７４との間に圧力差をもたらし、スリーブピストン６０を、チャンバ７４に向う進行路の端まで移動させる。そして、チャンバ７２は、そのチャンバを閉鎖するために封止をされることが好ましい。ツール５８は、その後抗井孔へ降ろされてもよい。チャンバ７４及び７６の静水圧は、深さに伴い増加する。ツールが降ろされるにつれ、チャンバ７６及び７４の圧力ＰＢ（ＨＩ）は、その圧力がチャンバ７２の圧力と均等になるまで増加する。チャンバ７４及び７６の圧力が、チャンバ７２の初期圧力を超える圧力に増加することにより、チャンバ７２内のガスがさらに圧縮されて、それに伴ってスリーブピストン６０を動かすことが可能となる。チャンバ７２内の圧力は、チャンバ７４及び７６内の圧力と等しくなるまで徐々に増加する。あるタイプのツールでは、等しくなったチャンバ７２及びチャンバ７４、７６の圧力が、例えば１０，０００ｐｓｉｇのあるレベルに達した時、スリーブピストン６０が最終的に適切な位置にロックされてもよい。
【００２０】
チャンバ７６及び従ってチャンバ７４内の圧力は、井戸変動の結果として、例えばおよそ６，０００ｐｓｉｇと２０，０００ｐｓｉｇとの間で劇的に変動し得る。チャンバ７４及び７６の圧力が、チャンバ７２の圧力を上回る時、プラグ４６及び環状出口部材２６のリップ部分４２は、破裂ディスク２８の湾曲セクション３８を十分にサポートし、ディスクの破裂を防ぐ。この差圧の増加は、２０，０００ｐｓｉｇ（チャンバ７４及び７６内の３０，０００ｐｓｉｇマイナスチャンバ７２内の１０，０００ｐｓｉｇ）程度まで可能である。破裂ディスク２８の湾曲セクション３８をサポートするプラグ４６及びそれに対応するリップ４２は、その非常に高い背圧を完全にサポートすることが可能である。
【００２１】
一方、チャンバ７６及び７４の圧力が１０，０００ｐｓｉｇを下回る時、スリーブピストン６０が適切な位置にロックされ、チャンバ７２に閉じ込められたガスをそれ以上加圧することができないため、破裂ディスク２８の湾曲セクション３８の圧力サイクリングが起こってもよい。チャンバ７２のオフセット圧以下の、チャンバ７４内の圧力の各変化は、破裂ディスク２８の１サイクルである。破裂ディスクユニット２０の独自の構造は、少なくとも約１００サイクル以上の破裂ディスクの圧力サイクリングに対応する。
【００２２】
破裂ディスク２８は、必要に応じて、例えばチャンバ７４及び７６の圧力レベルを５，０００ｐｓｉｇ上回るディスクの破裂圧力を超えるレベルまでチャンバ７２の圧力を単に増加させることによって、起動及び破裂されてもよい。ディスク２８の破裂をもたらすのに十分な圧力がプラグ４６の面５０に加えられる時、プラグ４６は拘束されることなく、破裂ディスク２８の湾曲セクション３８へ向かってシフトし、それによって、湾曲セクション３８の破裂及び開放をもたらす。
【００２３】
図面の図１０−１６に図示される別の起動破裂ディスクユニット１２０は、構成および動作において、破裂ディスクユニット２０と類似しており、その動作特性及び利点を全て備える。破裂ディスクユニット１２０は、環状で、外部ネジ式の入口ボディ１２４及び環状出口部材１２６を有する筐体１２２を含む。湾曲中央セクション１３８及び周辺フランジ１２８ａを有する破裂ディスク１２８は、破裂ディスクユニット２０に関して前述したのと同じ様式で、ボディ１２４及び部材１２６との間に設置される。
【００２４】
ディスクユニット２０及びディスクユニット１２０間の主な違いは、ディスク１２８の開放方向の反転である。破裂ディスク１２０も、また、好ましくは、ステンレススチールの棒材料から機械加工された管状筐体１２２を有する。筐体１２２は、環状のステンレススチール製入口ボディ１２４及び別体の環状ステンレススチール製出口部材１２６を有する。湾曲破裂ディスク１２８は、入口ボディ１２４と出口部材１２６との間に設置され、ボディ１２４、部材１２６及びディスク１２８の周辺部分１２８ａは、溶接などによって接合されている。
【００２５】
筐体１２２は、破裂ディスクユニット２０の六角ツールを受ける通路部分３６と同じ直径及び構造の通路部分１３６から成る中央起動通路１３０を有する。通路部分１３６は、テーパ状の通路部分１３４につながる小口径の通路部分１３７と連通する。ボディ１２４の、周方向に延在しかつ外側を向くリップ部分１４２は、湾曲した構造であり、破裂ディスクユニット２０の入口ボディ２４のリップ部分４２と同様に、破裂ディスク１２８の凹面１４４の外周と相補的に係合する。テーパ状の通路部分１３４も、１６°から３５°の角度が好ましく、約２５°が最も好ましい。
【００２６】
環状出口部材１２６は、環状入口ボディ１２４の起動通路１３０と同軸の通路１３２を有する。通路１３２の直径は、破裂ディスク１２８の湾曲セクション１３８の直径と等しいことが好ましい。自己解放円錐プラグ１４６も、同様に３１６ステンレススチールから製造されることが好ましく、入口ボディ１２４のテーパ状通路部分１３４に相補的に収容されるよう構成される。破裂ディスクユニット１２０が直径１／４インチの湾曲セクション１３８を有する破裂ディスクと併せて使用される時、プラグ１４６の寸法は、プラグ４６に関して記載したのと同じでよい。
【００２７】
破裂ディスクユニット１２０も、作動圧力と比較して非常に高い背圧に耐える能力が要件である用途に使用されるよう構成される。ユニット１２０の作動は、加圧流体を、プラグ１４６の面１５０に対して、通路部分１３６及び通路部分１３７を通して通路１３０へ導入することによって制御され、この加圧流体の導入は、破裂ディスク１２８の湾曲セクション１３８を破裂させるのに十分なものである。プラグ１４６の自己解放特性のため、プラグはテーパ状通路部分１３４からの解放に対して拘束されることはない。
【００２８】
破裂ディスクユニット１２０は、低圧力差を保つために、圧力がユニットの入口側に加えられることを必要とせずに、破裂ディスクユニットの出口側が直接の井戸圧力に晒される場合に、作動装置として、特に有効である。例えば、入口が大気圧である一方、出口が井戸圧に晒されてもよい。
【００２９】
別の作動破裂ディスクユニット２２０が、図面の図１７〜１９に示され、筐体２２２の通路２３２に延在し、プラグ２４６に嵌め込まれかつ溶接されてもよい長い幹部分２８２を持つ、略Ｔ型の金属器具２８０を有する２７８で広く示される要素の追加を除いて、図１〜７に関して図示されかつ説明されたような、類似の筐体、ディスク及びプラグを含む。器具２８０の幹部分２８２は、器具２８０の分岐した横材２８４が筐体２２０の出口部材２２６の外面２２６ａから通常時は距離を隔てるような長さである。横材２８４の腕２８４ａは、図１７に図示されるように、異なる方向に通路２３２から延在する。図１９に図示されるように、プラグ２４６の面２５０に対する流体圧力によるユニット２２０の起動の際に、プラグ２４６が通路２３０から外れた時、ディスク２２８が破裂する。プラグ２４６は、横材２８４の腕２８４ａと、出口部材２２６の外面２２６ａとの係合により、筐体２２２内に捕捉される。
【００３０】
破裂ディスクユニットの起動時のプラグを捕捉するための別の代替構造が、図２０〜２２に図示される。第２ディスク３８６がユニット３２０のディスク３２８に覆われる。ディスク３８６は、中央湾曲セクション３８６ｂと一体であるフランジ部分３８６ａを有する。ディスク３８６は、フランジ３８６ａ内に延在し、またディスク３８６の湾曲セクション３８６ｂに形成された略円形の内部セクション３３８ｂとつながる脚セグメント３８８ａを持つ脆弱部３８８のＵ型のスリットまたはラインを備える。脆弱部３８８のラインは、脆弱部３８８の脚セグメント３８８ａの最外端の間を、ディスク３８６のヒンジ領域３９４まわりで曲げることが可能なヒンジセクション３９２を規定する。ドーム状中央セクション３８６ｂは、プラグ３４６の端面セグメント３４８に、点３９０においてスポット溶接される。
【００３１】
図２２に最も良く図示されるように、プラグ３４６の面３５０に対する流体圧力によってユニット３２０を起動させて、プラグが出口部材３２６から外されると、ディスク３２８の中央湾曲セクション３３８が、プラグ３４６により破裂される。出口部材３２６の通路３３０からのプラグ３４６の離脱は、ディスク３８６のヒンジセクション３９２を、ヒンジ領域３９４まわりで曲げる。図２２に最も良く図示されるように、ディスク３８６のヒンジセクション３９２の、プラグ３４６の面３８４へのスポット溶接により、プラグ３４６の作動は、プラグ３４６を、ユニット３２０の筐体３２２内に保持させることとなる。
【００３２】
図２３に図示される、本発明のさらなる別の実施形態では、プラグ４４６が、それを通る軸方向に延在する流体通路４９４を備えている以外、ユニット４２０はユニット２０と同じである。通路４９４は、起動流体圧力を、破裂ディスク４２８の湾曲セクション４３８の下面に当てることを可能にし、ディスク４２８の制御された破裂を支援する。プラグ４４６を通る通路４９４の具備により、破裂ディスクユニット４２０の流体起動は、特定の動作条件の下、より正確に制御されることが可能である。例えば、起動流体が比較的高粘性の場合、プラグ４４６の通路４９４の設置は、高粘性材料を破裂ディスク４２８へ直接接触させ、それによって、それの破裂を支援する。通路４９４の直径は、起動圧力に対する背圧の比に比例することが好ましい。比率が高くなるほど、通路の直径が小さくなり；この比が小さくなるほど、プラグ４４６の直径に対する通路４９４の直径が大きくなる。低い比の場合、破裂ディスク４２８のより速い起動が望まれ、通路４９４はより大口径とするべきである。高い比の場合、破裂ディスクの起動に対するより大きな制御が必要とされもしくは望まれ、プラグ４４６の直径に対してより小口径の通路４９４が設けられるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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