壓力釋放裝置、系統和方法
【專利摘要】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。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。水力壓裂系統包括泵和輸送線路，輸送線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路安裝。傳感器檢測壓力釋放裝置下游的流體流量，壓力釋放裝置允許當檢測到下游的流體流量時停止泵。壓力釋放裝置可以具有本體，該本體具有圓頂的破裂片和傳感器。
【專利說明】壓力釋放裝置、系統和方法 相關申請的交叉引用
[0001] 本申請基于美國法典第35卷第119節第（e)條要求于2011年11月7日提交的 名稱為〃壓力釋放裝置、系統和方法〃、編號為61/556, 773的美國臨時申請的權益，該申請 的代理人案號為-US，其全部內容通過引用并入到本文中。

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

【背景技術】
[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、沙和化學物質的加壓液體混合物泵 送到表層之上井口中的多臺卡車（truck)，該混合物注入到在表層之下延伸到預定深度的 井孔中。井孔包括套管，套管具有允許液體進入巖層中的穿孔區段。
[0004] 由于加壓液體是通過表層以下的井孔泵送，因此迫使該加壓液體通過穿孔區段并 且進入到環境構造中以致使巖石破裂。液體將持續地流入這樣壓裂的構造中，使之產生裂 縫。在處理過程中，監控液體的壓力，并且隨著壓裂工作進展，沙與水的比例可以增加。該 處理過程保持可行的最高壓力以確保在巖石中的最大壓裂。
[0005] 當完成壓裂過程時，壓力減小，液體從井孔釋放。來自混合物的沙仍然保留在由壓 裂產生的裂縫中，這允許天然氣或者石油流動并被回收。
[0006] 因為方法的本質，將壓裂流體供給井孔的流體泵和輸送線路在高壓下操作，例如 大約6, 000到15, 500psig。監控系統內的壓力以保證系統在要求下操作。然而，壓力峰值 可能在整個系統中產生，如果壓力足夠高可能致使管道斷裂或者變弱，最終由于疲勞導致 后繼的斷裂。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1是具有壓力釋放裝置的水力壓裂系統的示意圖；
[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2D-2D的剖視圖，其顯示在裝置本體中的破裂片；
[0012] 圖2E是類似于圖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2G-2G的剖視圖，顯示了破裂片的圓頂構造；
[0015] 圖3是利用多臺流體輸送卡車的水力壓裂系統的示意圖；
[0016] 圖4A是當破裂片已經破裂時用于壓力釋放和檢測器裝置的傳感器的透視圖；
[0017] 圖4B是顯示當破裂片已經破裂時壓力釋放和檢測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的壓力釋放和檢測儀器的正視圖；
[0020] 圖6B是圖6A的設備的端部正視圖；
[0021] 圖7A是用于水力壓裂系統的壓力釋放和檢測器牽引器（detector extension apparatus)的另一種形式；
[0022] 圖7B是沿圖7A的線7B-7B的、顯示圖7A的設備的剖視圖；
[0023] 圖8是圖示了壓力釋放和檢測器牽引器的操作的流程圖；和
[0024] 圖9A-9C是破裂片多個視圖，其顯示破裂片的示例性尺寸。

【具體實施方式】
[0025] 參考圖1，設置壓力釋放裝置10用于釋放在水力壓裂或者液壓破碎系統12內的 高壓。壓力釋放裝置10可以按要求沿著系統12在可能需要釋放壓力的不同位置連接。系 統12包括加壓壓裂流體源，其通常包括流體輸送卡車14,卡車具有流體端16,流體端具有 用于給壓裂流體加壓的泵16a。卡車14的泵16a連接到輸送線路18,輸送線路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， 當低壓時，可以使用柔性管道作為到泵16a的輸送線路。壓裂流體介質22,包括水、沙和化 學物質，在例如大約5, 500-16, OOOpsig的壓力下從卡車14泵送到處于高壓下的井20中以 執行壓裂工作。壓力釋放裝置10可以沿著輸送線路18連接在卡車14的流體端16,或者可 以設置在卡車14的流體端16并沿著輸送線路18。
[0026] 在一個已知的壓裂系統中，設置卸壓閥，卸壓閥具有在典型閥體內的破裂片。破裂 片通常由金屬制造，具有在一側被刻痕的圓頂區段。根據不同的參數，包括破裂片的厚度、 圓頂的深度和刻痕深度，破裂片將在規定的壓力下破裂。破裂片放置在鄰近閥入口的閥內， 以保護閥體的內部，閥入口位于工藝介質和閥體之間。破裂片包括位于閥體內的彈性密封 件，以防止在系統的正常運行過程中排放物進入環境中。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路的頂部，并且因為泄壓閥使用 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，允許過壓流體逃逸 到環境中。在破裂片已經破裂之后，當檢測到介質釋放到環境中時，系統操作員可以關閉系 統，停止壓裂過程。在卸壓閥內破裂的破裂片因此替換為新的破裂片，并且可以恢復工藝過 程。
[0028] 然而，替換閥內的破裂片是耗費時間的，并且延緩了壓裂工作。此外，已經發現，由 于系統循環在破裂片上導致張力，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，在排放過程中，在閥內的排放路徑的90度彎曲產生流動阻力，并 且可能引導流動排放到不希望的區域。因此，下文中將描述包括具有破裂片30的裝置10 的壓力釋放系統的更優選形式。
[0029] 參考圖2A-2F，壓力釋放裝置10通常包括兩個主要部分：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件，或者形成 為通過焊接等被剛性連接在一起的兩個不同的元件或構件，如圖2A和2B所示。
[0030] 入口部分或者構件26a具有通常為環形的錐形構造，該構造包括圓錐形的外表面 32,用于連接到在到系統12的連接接口 36處的對應斜管管件34。該入口部分26a通過連 接器構件（例如螺母38)附接到接口 36。如所示，螺母38可以包括內螺紋，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) 類型，其具有三個徑向延伸的凸緣38a;然而，也可以使用其他類型和尺寸的連接器構件， 例如三英寸連接器類型。出口部分或者構件28a具有通常圓柱形的構造，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，它們優選的是沿著中心軸線B彼此對齊，以使流過裝置本 體24的介質22通常沒有轉向或彎曲的沿著軸線B流動，結果形成通過裝置的直接的、直的 排放路徑。優選地，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。孔部分40a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通常是盤狀的，包括一平的、外部環形部分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，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22,并且刻痕的凹面46朝向出口 28,以使當破裂片30破裂時， 破裂片30在箭頭F所示的與通過裝置本體24的流體流動相反的方向上軸向地突出。破裂 片30的反向作用安裝被優化成用于抵抗反復的加壓循環，因為凸面44朝向加壓介質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 裝已經經過350萬次循環試驗，而沒有疲勞失效。
[0032] 另外，在裝置本體27中以反向作用定位方式的破裂片30,當破裂片30破裂時，在 到達圍繞孔部分40b延伸的出口構件28的內表面40c之前，通常三角形的花瓣部分47在 孔40中設置有較長的傳播路徑。這允許花瓣部分47在破裂片30破裂時能夠產生更大的 動量。這是重要的，因為此處破裂片30的較厚的圓頂壁部分42,例如對于具有大約1. 25英 寸直徑的圓頂壁部分42而言是大約八分之一英寸（參見圖9A)。利用包括如上所述的破裂 片30的裝置10,據認為，當相對厚的破裂片30破裂時，花瓣部分47在其增加長度的傳播路 徑上能夠產生增加的動量，這使得花瓣部分47更寬地展開，并且靠近與孔表面40c的沖洗 接合位置。因此，破裂片30的反向作用定位優化了當其破裂時完全打開的能力，從而為通 過直孔40的過壓壓裂流體22提供基本無阻礙的流動路徑。
[0033] 破裂片30通過在裝置本體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，螺母用于將裝置10連接到接口 36。如所示，焊縫48在入口構件26a 和出口構件28a之間。在這種位置處設置焊縫48允許在不利用彈性體的情況下密封破裂 片30。焊縫48可以是常規的類型，例如鎢極隋性氣體焊縫（'TIG焊縫'）或者電子束焊縫。 將焊縫設置在裝置10的周界和空腔內，以致在裝置10被安裝在系統12中之后焊縫通常免 受大量張力或者壓力。在之前的設計中，彈性體〇型圈和焊縫是用于在閥體內固定破裂片， 但是該構造沒有如本文所描述的那樣，在高壓壓裂系統惡劣情況下的破裂片的疲勞壽命被 優化。
[0034] 破裂片30是金屬材料，例如哈斯特洛伊C(Hastelloy C)材料。一個破裂片30的 破裂或者壓裂壓力取決于多個參數，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22將通過 裝置本體24流過破裂片30以排放，釋放在流體介質22中的壓力。如圖2E所示，由于該構 造包括圓頂壁部分42的增加厚度，入口構件26a在鄰接破裂片30的環形部分41和圓頂壁 部分42的接合部的孔40處具有倒圓角的內部拐角27。當圓頂壁部分在孔40中朝向閥體 入口 26延伸時，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應圓頂壁 具有較大的厚度。因而，刻痕46a具有工藝性上的優選構造，如圖9A-9D所示。與常規的破 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面的中心凹口 46b，傾斜側面與凹口 46b相交，凹口 46b也具有與彎曲的刻痕線46a大致相同的深度，彎曲 的刻痕線46a在彎曲的徑向路徑上從其沿著圓頂壁部分42的凹面側延伸。
[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 裝置10的介質22被重新改向通過附加的管從而到達用于排放的另一個區域，或者到達將 來處理的等候區域。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用 連接結構（圖2D)，其允許介質22排放到靠近裝置10的安裝位置的環境中。
[0037] 如上所述，壓力釋放裝置10可以連接在卡車14的流體端16,輸送線路18,或者這 兩者。具有直的通孔40的裝置本體24與許多標準閥體相比具有簡化和流線型的構造，所 述標準閥體包括用于流體的各種彎曲和腔室以及在其中的移動閥元件。在這點上，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。為了說明，將描述當附接到輸送線 路18時的壓力釋放裝置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12,以使裝置本體24的通孔40a 和40b的中心軸線B可以如圖所示地垂直定位。垂直定位產生了直的垂直排放路徑，沒有 彎曲和轉向。當排放到環境時，優選的是由線性延伸的貫穿孔40a產生的直的或者線性延 伸的出口的垂直定位。然而，當期望將過壓壓裂流體釋放到保持坑（holding pit)、地窖或 者其他容納區域時，在除了垂直定位之外，裝置10可以水平地定位，以通過螺紋連接到通 向流體容納區域的管道。在排放路徑中的彎曲或轉向通常對排放產生流動阻力，這減緩了 排放過程。此外，通過彎曲的排放路徑的加高壓的流體可能導致閥從其連接狀態旋開螺紋， 這可能導致朝向不期望區域的排放。然而，在此描述的壓力釋放裝置10的直的或線性的排 放路徑不受彎曲的排放路徑的流動阻力，因此排放可以在更少阻力的情況下產生，并且更 快速地完成。這與標準閥體形成鮮明對比，所述標準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，這樣持 續地限制經過閥構件的流動。例如，在15,000psig壓力下的試驗已經顯示，2英寸直徑的裝 置10每分鐘將流過超過1，500加侖，這是對應的2英寸直徑減壓閥的公布流量的10倍，并 且比3英寸直徑的氮氣閥的流量大50%。此外，垂直的排放路徑限定了到圍繞裝置10的限 制區域的排放介質，因為裝置10不易于旋開。
[0039] 裝置10在接口 36處附接到輸送線路管18a之一，由于破裂片30保持在裝置10 中，密封輸送管18a的內部與環境分開。壓裂過程開始，流體介質22在高壓下被從卡車14 朝向井20泵送，并且最終進入到巖層中。在泵送過程中，介質22流過輸送線路管18a并且 流過連接在沿著輸送線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22的壓力。
[0040] 當壓裂過程的循環結束時，在輸送線路管18a內的壓力將減退，裝置10將完整無 損并密封。在開始新的壓裂循環之前，裝置10通常將不需要被替換。裝置10已經測試過 達到350萬次的循環而無需更換。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250萬次的循環。
[0041] 在壓裂過程中，在系統12內部的壓力可能有波動，并且壓力可能上升或者峰值超 過裝置10的破裂水平，有時這是因為沙的尺寸太大而不能穿過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這個水平時，破裂片30將破裂，介質22 將流過垂直的排放路徑，排放到鄰接裝置10的安裝位置的環境中。可替換地，在流過垂直 的排放路徑之后，介質22可以被重新引導至用于將來處理的等候區域。過壓流體的這種排 放或者重新導向減輕了在系統12中的過壓，至少減小了在與裝置10連接的輸送線管18a 中的過壓。
[0042] 在破裂片30破裂之后，系統操作員可以手動地關閉系統12 (包括卡車14上的流 體泵），從而停止持續地排放介質22并允許更換破裂片30,或者系統操作員可以選擇以使 得導致過壓的卡車14從系統脫離，并且繼續操作其他的連接卡車14。可替換地，如下進一 步所述地，系統12可以自動地檢測破裂片30已經破裂了，并且系統12或者單獨的卡車14 可以根據操作員定義的設置手動地或自動地關閉。
[0043] 在停止之后，壓力釋放裝置10可以被替換，以使破裂過程可以在受影響的輸送線 路管18a中重新開始。裝置10(包括其破裂片30)可以是一次性的。因此，系統操作員可 以快速地移除破裂的裝置10并且利用一個新的裝置10替換它。這比僅僅更換在本體內的 破裂片30更有效率。通過使得包括裝置本體24的裝置10是一次性的并且容易地被更換， 系統操作員可以更快速地在排放事件之后重新開始壓裂過程。實際上，輕量裝置10,例如大 約6磅，與現有泄壓閥相比，僅僅要求一個人進行更換操作，所述現有泄壓閥會使用較笨重 的和較重的標準閥體，該標準閥體包括正向作用的破裂片，其需要兩個人來進行更換操作。
[0044] 已經參考在輸送線路18的安裝描述了裝置10,當在卡車14的流體端16安裝時， 裝置10的操作和更換是類似的。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22垂直地排放到環境中或者被重新導向到用于處理的流體收集和 等候區域。
[0045] 參考圖3,壓裂系統12可以通常包括多輛流體輸送卡車14,這些卡車通過至共用 下游輸送線路50的其上游輸送線路18而并聯設置，也稱為"導彈（missile) "，共用輸送線 路50注入到井20中，這將介質22引導到井下以用于壓裂。在一些壓裂系統12中，12至 20輛卡車14可以連接到共用的輸送線路50。與其中一個卡車14相關的各個輸送線路18 可以配備有壓力釋放裝置10以通過系統操作員按照所需在系統12的不同位置釋放壓力。 即使由于在卡車14的流體端16的泵16a處或者在連接到卡車14的流體端16的輸送線路 18中的壓力上升而導致需要關閉其中一個卡車14,壓裂過程也可以繼續。
[0046] 參考圖4A和4B，一種經修改的壓力釋放和檢測器裝置10a還可以包括傳感器52， 該傳感器檢測破裂片30是否已經破裂。為了這個目的，傳感器52可以是流體流量傳感器， 其檢測在破裂片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 22流過膜54時開啟。優選地，傳感器52通常是圓盤形的，與破裂片30類似，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是傳導電路58的一部 分，當膜54打開時，電路將產生一種開路，這產生了過壓信號59。明顯地，也可以使用其他 類型的可以檢測破裂片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器裝置10a內。 這樣，當在系統12中的流體壓力足夠高從而促使破裂片30破裂時，介質22將流過裝置10 以排放，并且快速地打開傳感器52的膜54。傳感器52經由導線58a而電連接到PLC或類 似的控制器60,因此控制器60將接收過壓信號59,以檢測傳感器52已經打開。可替換地， 傳感器52可以是壓力傳感器或者壓力計的形式，其檢測在破裂片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將檢測電路58是打 開的，并且產生流體過壓指示62。指示62可以是可視的或者可聽的，或者這兩者，以警告操 作者破裂片30已經破裂的警報/警告的形式。另外，或者可替換地，開路可以產生自動斷 開信號，這促使系統12停止，并且根據系統操作員的要求操作，特別地關閉在卡車14的流 體端16處的流體泵16a。例如，操作者可能更愿意評估過壓和排放條件以能夠確定是否手 動地關閉系統12。可替換地，在過壓的情況下，操作者可以希望系統12立即關閉，并且控制 器可以產生關閉指令63。
[0050] 傳感器52還可以在系統12的另一個位置與壓力釋放裝置10分開地安裝，而不是 安裝在裝置本體24內。在這種構造中，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22的重新導向路徑或者在連接到裝置10的延伸部分內。
[0051] 參見圖6A和6B，顯示了壓力釋放和檢測器儀器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被構造成具有參數，該參數實質上 促使破裂片30在中間壓力級別破裂，例如低于系統12允許的最大壓力的級別。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系統要求來 實施。傳感器52安裝在水平支管104內，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,其具有構造成具有參數的 破裂片30,該參數促使破裂片30在系統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口端112以允許排放到環境，或 者排放延伸部分110可以被構造成將排放介質22重新導向到等候區域或者其他遠程位置。
[0053] 在該方法中，當在系統12中的流體壓力增大到中間級別以上時，低壓裝置100的 破裂片30將破裂，允許被加壓的介質22流入垂直的延伸部分102和水平支路104。當介 質22流入水平支路104時，傳感器52將打開，發送信號59給控制器60,控制器指示已經 達到中間壓力級別。在接收中間壓力信號59之后，如果需要，控制器60可以產生可聽或者 可視的警告指示62,或者這兩者，例如警告系統操作員已經達到了中間壓力級別的警報，或 者中間壓力信號59可以促使控制器60發送停止指令63給用于過壓情況的卡車14,如圖5 所示。在控制器60被構造成當其接收不會自動地停止系統12的中間壓力信號59時啟動 報警指示62,系統操作員可以選擇手動地關閉與警報位置關聯的卡車14。例如，如果卡車 14之一在關聯的輸送線路管18a中產生中間壓力，但是其余的卡車14在可接受的范圍內操 作，操作者可以選擇關閉產生中間壓力的卡車14,而允許其余的卡車14完成當前的壓裂循 環，例如當循環幾乎完成時。
[0054] 如果中間壓力信號59的接收沒有促使關聯的卡車14停止，壓裂過程將在警報指 示62啟動之后持續，因為中間壓力級別并不必然要求卡車14或者系統12停止。然而，在 壓力持續地升高超過系統12允許的最大級別時，高壓裝置108的破裂片30將破裂，并且介 質22將流過高壓裝置108以排放到環境或者被重新導向到流體容納區域。
[0055] 因此，在這種構造中，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12操作員在壓力中的初始中間峰值，使得系統操作員調整泵送壓力或者關 閉關聯的卡車14,在該關聯的卡車14中，在卡車14的壓力或者其關聯的輸送線路18的壓 力達到最大允許級別之前已經檢測到了警報。
[0056] 參考圖7A和7B，釋放箱（relief tank)或容器200連接到系統12,以提供流體壓 力和容積釋放，不要求與過壓情況關聯的卡車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被構造為具有參數，該參數促使破裂片30在比系 統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，其可以排放到環境或者將排放介質22重新改向到流體容納區域。
[0057] 參考圖7A，7B和8,當在系統12內的卡車14的流體端16處的泵16a通過輸送線 路管18a泵送加壓介質22時，介質22將流過低壓裝置202并且流向井20。在壓力上升到 足夠高的級別時，低壓裝置202的破裂片30將破裂，并且介質22將如圖所示地流過低壓裝 置202的直的、垂直的排放路徑。流動的介質22將促使低壓傳感器204打開，產生由控制 器60接收的中間壓力信號59。
[0058] 根據控制器60的構造，控制器60可以促使在與具有破裂低壓裝置202的輸送管 18a關聯的卡車14的流體端16的泵16a關閉，或者允許該卡車14持續其泵送操作，將中間 壓力信號59作為警告處理。如果中間壓力信號59是作為警告處理，控制器60將產生警告 指示62,可聽的或者可視的，或者這兩者，以使系統操作員被警告，并且如果希望的話，可以 選擇手動地關閉關聯的卡車14。在這點上，積累容器200為操作員提供額外的時間以關閉 泵16a，該泵正供應流體到在其中具有過壓壓裂流體的輸送線路18。如果控制器60被構造 為自動關閉關聯的卡車，控制器將產生停止指令63。通過手動地或自動地停止用于較高壓 力的卡車14,壓裂過程可以通過允許連接到系統12的其他卡車14繼續其壓裂流體泵送操 作而繼續。
[0059] 在低壓裝置202已經破裂之后，加壓介質22將流過低壓裝置202,并且進入到容 器200,以在其中積累加壓的壓裂流體介質22。如所示，容器200可以相對于入口和出口管 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，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的區域中的壓力將由于容器200的體積增加而下降，并且進入容器200的介質22降 低在關聯的輸送線路18中的壓力。
[0060] 在壓力持續地上升并且卡車14沒有被關閉時，介質22將持續地在容器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，并且產生將由控制器60接收的過壓信號59。當控制器60接收到信號59時， 其指示在高壓裝置208的區域內的流體壓力超過了許可的最大壓力值。控制器60可以被 編程以通過產生停止指令63來自動地關閉系統12,或者它可以被編程來產生警告指示62， 警告指示62將警告系統操作員系統過壓情況，系統操作員然后可以手動地關閉系統12。從 高壓裝置10排放的介質22可以排放到環境，或者被重新導向到容納區域。
[0061] 因此，利用設置在不同破裂級別的低壓裝置202和高壓裝置208,在壓力達到最大 級別之前允許中間信號59被發送給控制器60。根據系統操作員的要求，關聯的卡車14可 以在區域內的壓力超過最大允許級別之前被手動地或者自動地關閉。這種構造可以允許整 個壓裂過程連續地進行，同時使得導致過壓的卡車14與系統脫離。
[0062] 上面的大部分說明已經描述了壓力釋放裝置10及其在流體輸送線路18的關聯元 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14的流體端16。當放置在 該位置時，裝置10將類似地釋放積聚在卡車14的流體端16的壓力，將信號59發送給控制 器60用于隨后的指示62或者停止指令63,并且根據需要排放或者重新導向介質22。
[〇〇63] 盡管已經圖示和描述了本發明的特別實施方式，但是應當領會的是，本領域技術 人員可以做出許多變化和改變，并且隨附權利要求旨在涵蓋落入本發明的實質精神和范圍 內的所有變化和修改。
【權利要求】
1. 一種壓力釋放裝置，其用于減緩在高壓流體輸送系統中的過壓情況，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. 根據權利要求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的 凹面，以及 在凹面中的刻痕，該刻痕被構造成使得當預定流體壓力到達凸面上時，圓頂壁部分將 以預定的方式破開。
3. 根據權利要求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。
4. 根據權利要求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件，所述 破裂片具有固定在入口和出口構件之間的一平坦的、環形的部分。
5. 根據權利要求4所述的壓力釋放裝置，其中入口構件在與之相鄰的破裂片的平坦 的、環形部分和圓頂壁部分的結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. 根據權利要求1所述的壓力釋放裝置，其中閥體和破裂片重大約6磅。
7. 根據權利要求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 構造成連接到高壓流體線路，閥體出口具有連接結構用于被連接到將過壓流體引導至遠程 區域的管道，或者沒有用于將過壓流體排放到環境中的連接結構。
8. -種水力壓裂系統，該水力壓裂系統包括： 至少一個泵，其用于給壓裂液加壓； 至少一條輸送線路，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； 至少一個沿著輸送管線路安裝的壓力釋放裝置，當流體達到預定壓力時，該壓力釋放 裝置可操作地允許被加壓的壓裂流體流過；以及 傳感器，其用于檢測壓力釋放裝置下游的流體流量，以及用于當檢測到下游的流體流 量時使得泵停止。
9. 根據權利要求8所述的水力破裂系統，其中傳感器是壓力計或變換器。
10. 根據權利要求8所述的水力破裂系統，其中傳感器具有導電電路，該電路包括導電 膜，該導電膜被構造成使得當膜通過來自壓力釋放裝置下游的流體流量打開時，電路將產 生信號以指示流體已經達到用于流動通過壓力釋放裝置的預定壓力。
11. 根據權利要求8所述的水力壓裂系統，其中壓力釋放裝置包括本體和在本體內的 圓頂破裂片，并且傳感器安裝在本體中。
12. 根據權利要求8所述的水力壓裂系統，其包括連接到傳感器的控制器，控制器被構 造為當流體已經達到預定壓力時產生指示信號從而使得操作員關閉泵或者被構造為當流 體已經達到預定壓力時促使泵自動地關閉。
13. 根據權利要求8所述的水力壓裂系統，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造為允許被加壓的壓裂流體在 預定的低壓下流過，該預定的低壓比預定的高壓低，在該預定的高壓下，允許被加壓的壓裂 流體流過高壓釋放裝置。
14. 根據權利要求13所述的水力壓裂系統，其中傳感器設置在低壓和高壓釋放裝置之 間，以允許操作員調整在泵處的泵送壓力或者基于在預定低壓或預定低壓之上的、但是低 于預定高壓的加壓壓裂流體而關閉泵。
15. 根據權利要求13所述的水力壓裂系統，其包括位于在低壓和高壓釋放裝置之間的 流體連通內的徑向擴大的積累容器。
16. 根據權利要求8所述的水力壓裂系統，其中泵是可操作的以產生大約6, OOOpsig到 大約15, 500psig的壓裂流體壓力。
17. 根據權利要求8所述的水力壓裂系統，其中壓力釋放裝置沿著輸送線路鄰近泵、沿 著輸送線路鄰近井、或者在輸送線路和井之間的任何位置安裝。
18. -種水力壓裂系統，該水力壓裂系統包括： 至少一個泵，其用于給壓裂流體加壓； 至少一條輸送線路，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 至少一個沿著輸送線路安裝的壓力釋放裝置，其具有反向作用的圓頂破裂片，當流體 達到預定壓力時，破裂片可操作地允許加壓壓裂流體流過。
19. 根據權利要求18所述的水力壓裂系統，其包括傳感器，該傳感器用于檢測壓力釋 放裝置下游的流體流量，以及用于當檢測到下游的流體流量時允許泵關閉。
20. 根據權利要求18所述的水力壓裂系統，其中壓力釋放裝置是沿著輸送線路鄰近 泵、沿著輸送線路鄰近井、或者在輸送線路和井之間的任何位置安裝。
【文檔編號】E21B43/247GK104066927SQ201280066365
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年11月7日 優先權日:2011年11月7日
【發明者】R·F·埃文斯, D·G·斯托克斯蒂爾, D·W·班克斯 申請人:安賽科公司