掘削パイプの誘導的剪断

関連出願への相互参照 本願は、2012年10月23日に出願された米国仮特許出願第61/717,480号に対する優先権を主張する2013年3月15日に出願された米国特許出願第13/844,057号の利益を主張し、これらの両方は、それらの全体が参考として援用される。

技術分野 本開示は、掘削機器に関し、特に、噴出防止装置に関する。

背景 噴出防止装置は、大惨事の噴出を防止するために海中井戸に置かれているデバイスである。特に、噴出防止装置は、井戸の内容物の海への漏れを防止するための最後の砦として設計される。この問題に取り組むためのBOPにおける2つの構成要素のシステムは、環状BOPであって、この環状BOPは、空のボアまたはドリルインボアを閉鎖し、完全に遮断するためのゴムデバイスである、環状BOPと、作動させられるラムとを含み、この作動させられるラムは、開放穴を閉鎖するか、または固定されたパイプサイズの周りを閉鎖するように設計されている。特定の作動させられるラムは、緊急事態の接続解除のために、必要である場合、パイプを剪断する能力を有し得る。これらのデバイスの両方の作動は、液圧システムと、移動する構成要素とを含む。井戸を密閉することが、大惨事の噴出における好ましい解決策であるが、ドリルパイプの切断または剪断が、緊急事態の接続解除の状況のために実施される。

パイプ剪断は、掘削船およびプラットホームにおける緊急事態の状態に対処するための重要な活動である。海底におけるBOPは、素早い行動を必要とする緊急事態の状況が起きた場合に、パイプ剪断を実施するためのデバイスを含み得る。パイプ剪断は、機械的手段(例えば、パイプ剪断ラム)を通して慣例的に実施されている。しかし、剪断ラムは、剪断ラムが切断し得るパイプの厚さに制限される。緊急事態が起き、井戸の内容物がドリルパイプを通って流出する場合、人命を守り、環境を保護するために、即座のアクションが必要である。

概要 誘導剪断は、海面下井戸においてドリルパイプを切断するために使用され得る。電磁リングは、海底における噴出防止装置(BOP)に組み込まれ得る。電磁リングは、ドリルパイプを通して磁場を作り出し、金属ドリルパイプの状態を変化させる十分なエネルギーを伝達してドリルパイプを剪断し得る。

1つの実施形態において、装置は、パイプの周りで開閉するように調整可能であるクランプと、コイルを形成するためにクランプ中に埋め込まれているワイヤーと、ワイヤーに結合されている電源とを含む。電源は、ワイヤーに電力を印加することにより、誘導を通してパイプを加熱して、パイプを剪断するように構成され得る。

別の実施形態に従って、装置は、ドリルパイプを閉鎖するように構成されている誘導加熱コイルと、誘導加熱コイルに結合されている誘導電源とを含む。

さらなる実施形態に従って、装置は、ドリルパイプを誘導的に剪断するための手段と、誘導的剪断手段に結合されている電源とを含む。

前述のものは、続く本開示の詳細な説明がより良好に理解され得るために、本開示の特徴および技術的な利点をある程度大まかに概説している。本開示の特許請求の範囲の主題を形成する本開示のさらなる特徴および利点が、以下に記載される。開示される概念および特定の実施形態が、本開示の同じ目的を実施するために、他の構造を改変または設計するための基礎として容易に利用され得ることが、当業者によって認識されるべきである。そのような同等の構成は、添付の特許請求の範囲に明記されるように、本開示の趣旨および範囲から外れないことも当業者によって認識されるべきである。本開示の特性であると考えられる新しい特徴は、添付の図面とともに考慮される場合、その編成および動作方法の両方について、さらなる目的および利点と一緒に、以下の記載からより良好に理解される。しかし、図の各々は、例示および説明の目的のみのために提供され、本開示の限定の定義として意図されないことが明確に理解されるべきである。

本開示のシステムおよび方法のより完全な理解のために、次に、添付の図面とともに考慮して以下の説明が参照される。

図1は、本開示の1つの実施形態に従う、誘導的剪断を有する噴出防止装置(BOP)の設計を概略的に例示しているものである。

図2は、本開示の1つの実施形態に従う、2つ以上のオーバーラップしている刃を有する把握リングの斜視図であり、2つ以上のオーバーラップしている刃は、回転機構を通して掘削パイプにおいて係合可能である。

図3は、本開示の1つの実施形態に従う、掘削パイプの誘導剪断のための埋め込まれているワイヤーを有する剪断リングの断面図である。

図4は、本開示の1つの実施形態に従う誘導的剪断の動作の概略的な例示である。

図5は、本開示の1つの実施形態に従う、ドリルパイプの電磁剪断を例示している断面図である。

図6は、本開示の1つの実施形態に従う、誘導加熱コイルを有する噴出防止装置の実装を例示しているブロック線図である。

図7は、本開示の1つの実施形態に従う誘導コイルの作動を例示している俯瞰図である。

図8は、本開示の1つの実施形態に従う、掘削パイプを誘導的に切断する方法を例示しているフローチャートである。

図9は、本開示の1つの実施形態に従う、様々なパイプの直径の加熱速度を例示しているグラフである。

詳細な説明 図1は、本開示の1つの実施形態に従う、誘導的剪断を有する噴出防止装置(BOP)の設計を概略的に例示しているものである。掘削システム100は、ドリルパイプ104を取り囲んでいるライザー102を含み得る。掘削流体(示されない)は、ドリルパイプ104を通して汲み下げられ得る。掘削流体およびカッティングは、ドリルパイプ104とライザー102との間の空間を通して戻り得る。システム100は、噴出防止装置106、誘導加熱コイル112、海底付近に取り付けられているパイプ把握および保持デバイス108も含み得る。ライザー102は、表面ケーシング110によって取り囲まれ得る。井戸(示されない)は、海底の下に位置し得、ドリルパイプ104が井戸の中に延びている。

特定の状況において、ライザー102およびドリルパイプ104を密閉することが必要であり得る。例えば、ライザー102内の流体圧力が、特定の制限を超える場合、緊急事態が起こり得、井戸の内容物が、ドリルパイプ104および/またはライザー102を通って流出することをもたらす。別の例において、ライザー102および/またはドリルパイプ104は、システム100の機器に対する修理中に密閉され得る。

ドリルパイプ104および/またはライザー102の密閉は、パイプ剪断によって完了され得る。ドリルパイプ104および/またはライザー102は、電磁誘導的剪断を通して剪断され得る。電磁誘導において、電流が、電磁(EM)場を発生させるためにコンダクターを通過させられる。電磁場は、ドリルパイプ104および/またはライザー102を通して導かれ得、ドリルパイプ104および/またはライザー102は、電磁場からのエネルギーを伝導し得る。従って、電力が、コンダクターとドリルパイプ104および/またはライザー102との間の物理的な接触なしで、コンダクターからドリルパイプ104および/またはライザー102に伝達される。ドリルパイプ104および/またはライザー102がエネルギーを電磁場から受け取る場合、ドリルパイプ104および/またはライザー102の温度は上昇し得る。ドリルパイプ104および/またはライザー102の一部分が融点に達する場合、ドリルパイプ104および/またはライザー102のその部分は、状態を液体に変化し、ドリルパイプ104および/またはライザー102の剪断をもたらす。

ドリルパイプ104および/またはライザー102の誘導的剪断の1つの利点は、移動する部品の数の減少である。剪断中、移動する機械的部品の数を低減することによって、剪断は、低減された時間で達成され得る。特定の実施形態において、剪断時間は、数秒と同じくらい短いものであり得る。さらに、ドリルパイプ104および/またはライザー102の誘導的剪断は、滑らかで狭い円周方向の切断をもたらす。

誘導加熱コイル112は、1セットのオーバーラップしている刃として構成され得、この1セットのオーバーラップしている刃は、ドリルパイプ104および/またはライザー102の周りで開閉し得る。図2は、本開示の1つの実施形態に従う、2つ以上のオーバーラップしている刃を有する把握リングの斜視図であり、2つ以上のオーバーラップしている刃は、回転機構を通してドリルパイプにおいて係合可能である。刃202A、202B、および202Cは、刃202A〜Cがドリルパイプ104の周りで拡張および収縮することを可能にする態様でオーバーラップし得る。刃202A〜Cの拡張および収縮は、刃202A〜Cに取り付けられている回転機構(示されない)を用いて達成され得る。回転機構が一方の方向に回転する場合、オーバーラップしている刃202A〜Cは、ドリルパイプ104を閉鎖し得る。回転機構が他方の方向に回転する場合、オーバーラップしている刃202A〜Cは、ドリルパイプ104から離れるほうに開放し得る。そのような構成において、オーバーラップしている刃は、ドリルパイプの周りを閉鎖することにより、電磁場を作り出し、この電磁場は、掘削パイプを通して、第2の刃におけるコンダクターへ延びる。

刃202A〜Cは、ドリルパイプ104を剪断するためにドリルパイプ104の周りに磁場を生成する電気のためのコンダクターとして機能し得る。刃のさらなるリングは、刃202A〜Cによって規定される体積内に含まれ得る。図3は、本開示の1つの実施形態に従う、掘削パイプの誘導剪断のための埋め込まれているワイヤーを有する剪断リングの断面図である。第2のセットの刃304および第3のセットの刃306は、それぞれ、刃202A〜Cと同様の態様でオーバーラップし得る。刃304および306は、ドリルパイプ104を剪断するために、ドリルパイプ104において、さらなる電流および磁場を提供し得る。刃304および306はまた、操作者がドリルパイプ104を剪断するべき場所を決定することを可能にするために、ドリルパイプ104に沿って異なる場所において電流および磁場を提供し得る。

電磁場を作り出すためのコンダクターは、刃202A〜Cであり得る。例えば、ワイヤーは、刃の一方の側から刃の反対側に延びることによって、コイルを形成し得る。コンダクターは、刃202A〜Cに埋め込まれているワイヤー(示されない)でもあり得る。刃202A〜Cは、ドリルパイプ104に最も近い刃202A〜Cの表面付近に埋め込まれているワイヤーを有し得る。コンダクターは、刃202A〜Cが誘導的剪断のためにドリルパイプ104の周りで閉鎖される場合、ドリルパイプ104から5cm未満であり得る。絶縁材料(例えば、プレキシグラス)は、コンダクターの過度の熱性加熱を防止するために、刃202A〜Cとドリルパイプ104との間でクランプの端において使用され得る。

電磁場を作り出すためのコイルにおける巻数は、電源からパイプに誘導的に伝達される電力の量を様々にするために、コイルに印加される電圧とともに様々であり得る。1つの実施形態において、巻数は、3巻と5巻との間であり得、伝達される総電力は、10キロワットと500キロワットとの間であり得る。

1つの実施形態において、剪断リングはまた、把握リング(示されない)と協働して働き得る。把握リングは、回転機構に取り付けられている1つ以上のオーバーラップしている刃を含み得る。

1つの実施形態において、電磁誘導中、掘削パイプは、機械的引張下に置かれ得る。機構は、掘削パイプに引張を適用するために、水中で掘削パイプに取り付けられている噴出防止装置(BOP)または別のモジュールに組み込まれ得る。あるいは、掘削パイプに取り付けられている掘削船または掘削プラットホームが、引張を適用し得る。

図4は、本開示の1つの実施形態に従う誘導的剪断の動作の概略的な例示である。誘導は、交流(AC)電流をインダクターコイル404(例えば、水冷銅製螺旋コイル)を通して送ることによって加熱することを含み、これは、コイル404の中、および/またはコイル404の周りを循環する磁場406を発生させる。電気伝導材料402(例えば、ドリルパイプ)がコイル404の中に置かれている場合、磁場406は、材料402の中に入り得、誘導された渦電流を発生させ得る。渦電流は、材料402の抵抗に起因して、ドリルパイプにおいてジュール加熱を作り出す。材料402が磁気材料を含む場合、材料402は、インダクター404における急速に変化する電磁場406に対する抵抗を提供し得る。例えば、鋼ドリルパイプは、電磁場406の誘導を高めるために、電磁場406に対する抵抗を提供し得る。

図4に記載されるような誘導的剪断は、ドリルパイプを剪断するために適用され得る。誘導加熱は、例えば、緊急事態の状況において、ドリルパイプを切断するための方法を提供し得るが、ドリルパイプを再形成することが可能でもあり得る。例えば、誘導的リングは、ドリルパイプ(例えば、切断領域より下)を、鋼の降伏強さが、例えば、数ksiまで落ちる鋼の高温オーステナイト相(約850℃)へ加熱し得、代替の手段(例えば、大きな磁気パルスまたは単純な機械的な手段のいずれか)は、ドリルパイプを圧着させ、密閉し得る。1つの実施形態において、圧着および密閉は、電磁パルス形成を通したものであり得る。

図5は、本開示の1つの実施形態に従う、ドリルパイプの電磁剪断を例示している断面図である。ドリルパイプ514は、支持しているコイルケーシングとともに電磁コイル510の中に置かれ得る。ドリルパイプ514の圧縮および後の剪断は、電源502を制御しているスイッチ504(例えば、コンデンサーバンク)が開放され、急速に変化する磁場がコイル512を通して放電される場合に起こり得る。次に、電流がドリルパイプ514において誘導され得る。ドリルパイプ514によって誘導される対向する磁場は、ドリルパイプ514をコイル512からはね返し得、ドリルパイプ514が内方に変形することをもたらす。特定の持続時間後、ドリルパイプ514の変形が、ドリルパイプ514を剪断し得る。50キロポンド毎平方インチ(ksi)までの圧力および50キロポンド毎平方インチ(ksi)を超える圧力は、900フィート毎秒(fps)までの速度で発生させられ得る。1つの実施形態において、第2の誘導コイル(示されない)は、2ksi〜3ksiのみの強度でドリルパイプ514の局所的な領域を高温鋼相に加熱し得、ドリルパイプ514がそれ自体の上に内方に折り重なって、ドリルパイプ514を密閉することをもたらす。

図6は、本開示の1つの実施形態に従う、誘導加熱コイルを有する噴出防止装置の実装を例示しているブロック線図である。掘削システム600は、誘導加熱コイル608を含み得る。コイル608は、コンダクターを通して誘導電源602に電気的に接続され得、この誘導電源602は、ドリルシップに位置し得る。コイル608は、コイル602が使用されるまでの保護のために、海中システムにおいて格納システムを含み得る。電源602は、ドリルシップに位置しているように記載されているが、電源602はまた、BOPにおいて、海中に位置し得る。コイル608は、例えば、図2〜図3に示されるように、ドリルパイプを加熱するために、格納場所から加熱場所に作動させられ得る。

システム600は、ドリルシップから海中システムへの電気コンダクター604も含み得る。コンダクター604は、源602から加熱コイル608に電力を供給し得る。例えば、誘導電源602からの高周波高電流電気として、または加熱コイル608付近の海中誘導電源からの三相480VAC電気として、電力が提供され得る。コンダクター604は、偶発的なRF加熱を避けるために、水冷され、分離され、遮蔽される。システム600は、ドリルパイプ把握および保持デバイス610をさらに含み得、このドリルパイプ把握および保持デバイス610は、剪断および分離後、ドリルパイプストリングを固定する。システム600は、剪断デバイス606も含み得、その場合、加熱コイル608は、ドリルパイプの鋼特性を低下させることによる弱めることを容易にするために、ドリルパイプを加熱するために使用され得る。

図7は、本開示の1つの実施形態に従う誘導コイルの作動を例示している俯瞰図である。誘導コイルは、例えば、格納されているか、または使われていない場合、第1の位置702において開始し得る。ドリルパイプ706を係合するように命令される場合、誘導コイルは、第2の位置704に移動し得る。位置704において、電流が、誘導コイルに印加されることにより、ドリルパイプ706の剪断を開始し得る。

図8は、本開示の1つの実施形態に従う、掘削パイプを誘導的に切断する方法を例示しているフローチャートである。掘削パイプの誘導的剪断が要求される場合に電源からコイルに電力を印加するための1つの手順は、電源からの電力を増やすことである。全力で作動するのではなく電源を増やすことは、高電力レベルでパイプ剪断を作動させる問題を低減し得る。ブロック802において、誘導加熱コイルに結合されている電源は、第1の速度でドリルパイプの第1の温度まで傾斜させられ得る。例えば、1つの手順は、ゼロから掘削パイプの温度が700℃に達するまで、電源を第1の線形速度で傾斜させることを含み得る。次に、ブロック804において、電源は、第2のより速い速度で標的温度(例えば、ドリルパイプを剪断するための温度)まで傾斜させられ得る。ゼロ電力から掘削パイプを剪断するための電力レベルに達するまで傾斜させる手順は、30秒未満かかり得、または特定の実施形態において、5秒未満かかり得る。電磁誘導のための電源は、水中で電池であり得、モジュールに取り付けられ得る。電源の動作、および電磁誘導の適用は、コントローラーによって実行され得る。ブロック806において、ドリルパイプの剪断が検出され得、ブロック808において、ドリルパイプが密閉され得る。図8の方法は、誘導コイルの制御およびドリルパイプの剪断のために、BOPに結合されているコントローラーにおいてプログラムされ得る。

図9は、本開示の1つの実施形態に従う、様々なパイプの直径の加熱速度を例示しているグラフである。図9のグラフは、線902、904、906、908、910、912、および914を含み、線902は、5’’の直径および.362’’の厚さの壁を有するパイプについて、線904は、5.5’’の直径および.75’’の壁を有するパイプについて、線906は、6.63’’の直径および.813’’の壁を有するパイプについて、線908は、10.75’’の直径および0.558’’の厚さの壁を有するパイプについて、線910は、8.5’’の直径および0.75’’の壁を有するパイプについて、線912は、6.25’’の直径および1.063’’の壁を有するパイプについて、および線914は、14.0’’の直径および0.75’’の壁を有するパイプについて、様々な電力レベルにおける加熱速度を例示している。

本開示およびその利点が詳細に記載されているが、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本開示の趣旨および範囲から外れることなく、様々な変化、代用、および代替が、本明細書中でなされ得ることが理解されるべきである。さらに、本願の範囲は、本明細書中に記載されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図されない。当業者が本発明から容易に認識するように、本明細書中に記載される対応する実施形態と実質的に同じ機能を実施するか、または実質的に同じ結果を達成する現存の、または今後開発されるべき開示、プロセス、機械、製造、主題の構成物、手段、方法、またはステップが、本開示に従って利用され得る。従って、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、主題の構成物、手段、方法、またはステップをそれらの範囲内に含むことが意図される。