시추 파이프의 유도 전단

시추 파이프의 유도 전단{INDUCTION SHEARING OF DRILLING PIPE}

관련 출원들의 교차 참조

본원은 2013년 3월 15일자 출원된 미국 특허 출원 제 13/844,057호의 유익을 청구하며, 2012년 10월 23일자 출원된 미국 임시 특허 출원 제 61/717,480호의 우선권을 청구하고, 양자 모두는 전체적으로 참고로 합체되어 있다.

기술분야

본원은 시추 설비, 특히 유정폭발 방지기(blow out preventer;BOP)에 관한 것이다.

유정폭발 방지기는 대제앙 폭발을 방지하기 위하여 해저 유정(subsea well)에 배치된 장치이다. 특히, 유정폭발 방지기는 바다로 유정의 내용물의 누출을 방지하기 위하여 최종 라인의 보호장치로서 설계된다. 이러한 문제를 다루는 유정폭발 방지기에서의 2 구성요소 시스템은 빈 또는 시추 보어를 폐쇄하고 완벽하게 차단하는 고무 장치인 환형 유정폭발 방지기와, 개방 구멍을 폐쇄하거나 또는 고정 파이프 크기를 폐쇄하도록 설계되는 작동 램(actuated ram)을 포함한다. 임의의 작동 램은 필요하다면 긴급 분리를 위하여 파이프를 전단하는 기능을 가질 수 있다. 상기 장치들의 양자 모두의 작동은 유압 시스템과 이동 구성요소들을 포함한다. 유정을 밀봉하는 것은 대재앙 폭발에서 양호한 해결방안이지만, 시추파이프의 절단 또는 전단은 긴급 분리 상황에 대해서 시행된다.

파이프 전단은 시추 선박 및 플랫폼에서 긴급 상황을 처리하기 위한 중요 작업이다. 해저에서의 유정폭발 방지기는 신속한 조치를 필요로 하는 긴급 상황이 발생할 때 파이프 전단을 실행하는 장치를 포함할 수 있다. 파이프 전단은 종래에는 파이프 전단 램과 같은 기계적 수단을 통해서 실행된다. 그러나, 전단 램은 이 전단 램이 절단할 수 있는 파이프의 두께에 의해서 제한된다. 긴급상황이 발생하고 시추파이프를 통해서 유정의 내용물이 누설될 때, 인간의 생명을 보호하고 환경을 보호하기 위하여 신속한 조치가 필요하다.

유도 전단은 해저 유정에서 시추파이프를 절단하는데 사용될 수 있다. 전자기 링은 해저에서 유정폭발 방지기(BOP) 안으로 세워질 수 있다. 전자기 링은 시추파이프를 통해서 자기장을 생성하고 시추파이프를 전단하기 위하여 금속 시추파이프의 상태를 변경하기에 충분한 에너지를 전달할 수 있다.

일 실시예에 따른, 장치는 파이프 주위를 개폐하도록 조정가능한 체결구, 상기 체결구에 끼워져서 코일들을 형성하는 와이어들, 및 상기 와이어들에 결합된 전력 공급부를 포함한다. 상기 전력 공급부는 상기 파이프를 전단하도록 상기 파이프를 유도 가열하기 위하여 상기 와이어들에 전력을 인가하도록 구성될 수 있다.

다른 실시예에 따른, 장치는 시추파이프를 폐쇄하도록 구성된 유도 가열 코일, 및 상기 유도 가열 코일에 결합된 유도 전력 공급부를 포함한다.

추가 실시예에 따른, 장치는 시추파이프를 유도 전단하기 위한 유도 전단 수단, 및 상기 유도 전단 수단에 결합된 전력 공급부를 포함한다.

상기 설명은 하기에 기술되는 본원의 상세한 설명을 더욱 잘 이해할 수 있도록 본원의 특징 및 기술적 장점을 상당히 광범위하게 대략 기술하였다. 본원의 청구범위의 요지를 형성하는 본원의 추가 특징 및 장점은 하기에 기술될 것이다. 당업자는 개시된 특정 실시예와 개념은 본원의 동일 목적을 실행하기 위하여 다른 구조를 변형 및 설계하기 위한 기초로서 용이하게 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 당업자는 이러한 동등 구성들이 첨부된 청구범위에 기술된 바와 같이 본원의 정신 및 범주 내에 있다는 것을 인식해야 한다. 추가 목적 및 장점들과 함께 그 조직 및 작동 방법 모두에 관한 본원의 특징인 것으로 사료되는 신규 형태들은 첨부된 도면과 연계하여 고려될 때 하기 설명에서 더욱 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 단지 예시 및 설명을 목적으로 제공되고 본원의 한계의 규정으로서 의도된 것이 아님을 이해해야 한다.

개시된 시스템 및 방법의 더욱 완전한 이해를 위하여, 첨부된 도면과 연계된 하기 설명을 참조해야 한다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 유도 전단을 갖는 유정폭발 방지기(BOP) 디자인을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 회전 기구를 통하여 시추 파이프와 결합될 수 있는 2개 이상의 오버랩 블레이드들을 갖는 파지 링의 사시도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 시추 파이프의 유도 전단을 위한 와이어가 끼워진 전단 링의 단면도이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 유도 전단의 작동의 개략적인 도면이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 시추파이프의 전자기 전단을 도시하는 단면도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 유도 가열 코일들을 갖는 유정폭발 방지기의 실행형태를 도시하는 블록도이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 유도 코일 작동을 도시하는 탑-다운 도면(top-down view)이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 시추 파이프를 유도 절단하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 여러 파이프 직경의 가열 비율을 도시하는 그래프이다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 유정폭발 방지기(BOP) 디자인을 개략적으로 도시한다. 시추 시스템(100)은 시추파이프(104)를 둘러싸는 라이저(riser;102)를 포함한다. 시추 유체(미도시)는 시추파이프(104)를 통하여 펌핑될 수 있다. 시추 유체와 절단부들은 시추파이프(104)와 라이저(102)의 공간을 통하여 복귀할 수 있다. 시스템(100)은 또한 유정폭발 방지기(106), 유도 가열 코일(112) 및 해저 인근에 부착된 파이프 파지 및 유지 장치(108)를 포함할 수 있다. 라이저(102)는 표면 케이싱(110)에 의해서 둘러싸인다. 유정(미도시)은 유정 안으로 연장되는 시추파이프(104)와 함께 해저 밑에 위치할 수 있다.

임의의 상황에서, 라이저(102)와 시추파이프(104)를 밀봉하는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어, 라이저(102) 내의 유체 압력이 임의의 한계값을 초과하면, 유정의 내용물이 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)를 통해서 누설을 유발하는 긴급상황이 발생할 수 있다. 다른 예에서, 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)는 시스템(100)의 설비를 수리하는 동안 밀봉될 수 있다.

시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)의 밀봉은 파이프 전단에 의해서 완료될 수 있다. 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)는 전자기 유도 전단을 통하여 전단될 수 있다. 전자기 유도 전류는 도체를 통과하여 전자기(EM)장을 발생시킨다. 전자기장은 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)를 통해서 안내되고, 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)는 전자기장으로부터 에너지를 유도한다. 따라서, 전력은 도체와 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102) 사이의 물리적인 접촉없이 도체로부터 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)로 전달된다. 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)가 전자기장으로부터 에너지를 받을 때, 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)의 온도는 상승할 수 있다. 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)의 일부가 용융점에 도달할 때, 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)의 일부는 액체로 상태 변환하여 결과적으로 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)를 전단시킨다.

시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)의 유도 전단의 한 장점은 이동 부품들의 수가 감소된다는 점이다. 전단 중에 이동하는 기계적 부품들의 수를 감소시킴으로써, 시간이 감소된 상태에서 전단이 이루어질 수 있다. 임의의 실시예에서, 전단 시간은 몇 초 만큼 작을 수 있다. 또한, 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102)의 유도 전단은 결과적으로 깨끗하고, 좁은 원주방향 전단을 실행하게 한다.

유도 가열 코일(112)은 시추파이프(104) 및/또는 라이저(102) 주위에서 개폐될 수 있는 한 세트의 오버랩 블레이드로서 구성될 수 있다. 도 2는 본원의 일 실시예에 따른 회전 기구를 통한 시추파이프에서 결합가능한 2개 이상의 오버랩 블레이드들을 갖는 파지링의 사시도이다. 블레이드들(202A,202B,202C)은 블레이드들(202A 내지 202C)이 시추파이프(104) 주위에서 팽창 및 수축될 수 있게 하는 방식으로 중첩될 수 있다. 블레이드들(202A 내지 202C)의 팽창 및 수축은 블레이드들(202A 내지 202C)에 부착된 회전 기구(미도시)로 성취될 수 있다. 회전 기구가 한 방향으로 선회할 때, 오버랩 블레이드들(202A 내지 202C)은 시추파이프(104)에서 폐쇄될 수 있다. 회전 기구가 다른 방향으로 선회할 때, 오버랩 블레이드들(202A 내지 202C)은 시추파이프(104)로부터 멀리 개방될 수 있다. 이러한 구성에서, 오버랩 블레이드들은 시추 파이프 주위에서 폐쇄되어서 시추 파이프를 통하여 제 2 블레이드의 도체로 연장되는 전자기장을 생성한다.

블레이드들(202A 내지 202C)은 시추파이프(104)를 전단하기 위하여 시추파이프(104) 주위에 전기장을 생성하기 위하여 전기를 위한 도체로서 작용할 수 있다. 블레이드들의 추가 링은 블레이드들(202A 내지 202C)에 의해서 형성된 용적 내에 수용될 수 있다. 본원의 일 실시예에 따른 시추 파이프의 유도 전단을 위한 끼워진 와이어를 갖는 전단 링의 단면도이다. 제 2 및 제 3 세트의 블레이드들(304,306)은 각각 블레이드들(202A 내지 202C)과 유사한 방식으로 중첩될 수 있다. 블레이드들(304, 306)은 시추파이프(104)를 전단하기 위하여 시추파이프(104)에서 추가 전류 및 전자기장을 제공할 수 있다. 블레이드들(304, 306)은 작업자가 시추파이프(104)를 전단하는 위치를 결정할 수 있게 하도록 시추파이프(104)를 따라서 다른 위치들에 전류 및 전기장을 제공할 수 있다.

전기장을 생성하기 위한 도체는 블레이드들(202A 내지 202C)일 수 있다. 예를 들어, 와이어들은 블레이드의 일측에서 블레이드의 타측으로 연장됨으로써 코일들을 형성할 수 있다. 도체는 또한 블레이드들(202A 내지 202C)에 끼워진 와이어들(미도시)일 수 있다. 블레이드들(202A 내지 202C)은 시추파이프(104)에 최인접한 블레이드들(202A 내지 202C)의 표면 인근에 끼워진 와이어를 가질 수 있다. 도체는 블레이드들(202A 내지 202C)이 유도 전단을 위하여 시추파이프(104) 주위에 폐쇄될 때, 시추파이프(104)로부터 5cm 미만일 수 있다. 플렉시글래스(plexiglass)와 같은 절연 재료는 도체의 과도한 열적 가열을 방지하기 위하여 시추파이프(104)와 블레이드들(202A 내지 202C) 사이에 있는 체결구의 단부에서 사용될 수 있다.

전자기장을 생성하는 코일들에서 권선수는 전력 공급부로부터 파이프로 유도 전달된 전력량을 변화시키기 위하여 코일들에 인가된 전압에 따라서 변화될 수 있다. 일 실시예에 따라서, 권선수는 3 내지 5의 권선수일 수 있고 전달된 전체 전력은 10KW 내지 500KW일 수 있다.

일 실시예에서, 전단 링은 또한 파지 링(미도시)과 협력식으로 작용할 수 있다. 파지 링은 회전 기구에 부착된 하나 이상의 오버랩 블레이드들을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 전자기 유도 중에, 시추 파이프는 기계적 인장 상태에 놓여질 수 있다. 기구는 시추 파이프에 인장력을 인가하기 위하여 시추 파이프에 수중 부착된 유정폭발 방지기(BOP) 또는 다른 모듈로 세워질 수 있다. 대안으로, 시추 선박 또는 시추 파이프에 부착된 시추 플랫폼은 인장력을 인가할 수 있다.

도 4는 본원의 일 실시예에 따른 유도 전단의 작동의 개략적인 도면이다. 유도는 코일(404) 주위에서 및/또는 순환하는 자기장(406)을 발생시키는 수냉식 구리 나선형 코일과 같은 인덕터 코일(404)을 통해서 교류(AC) 전류의 전송에 의한 가열을 포함한다. 시추 파이프와 같은 전기 전도성 재료(402)가 코일(404) 내부에 배치될 때, 자기장(406)은 재료(402) 안으로 들어가서 유도된 와전류(eddy current)를 발생시킨다. 재료(402)의 저항성으로 인하여 와전류는 시추파이프에서 주울 가열(Joule heating)을 생성한다. 재료(402)가 자기 재료를 포함할 때, 재료(402)는 종종 인덕터(404)에서 급격하게 변화하는 자기장(406)에 저항을 제공할 수 있다. 예를 들어, 강철 시추 파이프는 자기장(406)의 유도를 강화하기 위하여 자기장(406)에 저항을 제공할 수 있다.

도 4에 기술된 유도 전단이 시추파이프를 전단하기 위하여 적용될 수 있다 유도 가열은 긴급 상황과 같이 시추파이프를 절단하기 위한 방법을 제공하지만, 또한 시추파이프를 재성형할 수 있다. 예를 들어, 유도 링은 절단 영역 밑과 같은 시추파이프를 강철의 고온 오스테나이트 상으로(대략 850℃) 가열할 수 있고 여기서 강철의 항복 강도는 예를 들어 수 ksi로 하강하고, 여기서 큰 자기 펄스 또는 단순한 기계적 수단과 같은 대안 수단은 시추파이프를 크림프(crimp)하고 밀봉할 수 있다. 일 실시예에 따라, 크림프 및 밀봉은 전자기 펄스 형성을 통해서 이루어질 수 있다.

도 5는 본원의 일 실시예에 따른 시추파이프의 전자기 전단을 도시하는 단면도이다. 시추파이프(514)는 지지 코일 케이싱과 함께 전자기 코일(510) 내부에 배치될 수 있다. 콘덴서 뱅크(capacitor bank)와 같은 전력 공급부(502)를 제어하는 스위치(504)가 개방되고 급격하게 변화하는 자기장이 코일(512)을 통해서 방출될 때, 시추파이프(514)의 압축 및 차후 전단이 발생할 수 있다. 그 다음, 시추파이프(514)에서 전류가 유도될 수 있다. 시추파이프(514)에 의해서 유도된 반대 자기장은 시추파이프(514)를 코일(512)로부터 축출하여 시추파이프(514)가 내향으로 변형되게 한다. 임의의 시간 지속기간 후에, 시추파이프(514)의 변형은 시추파이프(514)를 전단시킬 수 있다. 평방 인치 당 50 킬로파운드(50ksi)까지 및 이를 초과하는 압력이 초당 900 피트(900fps)까지의 비율로 발생할 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 유도 코일(미도시)은 시추파이프(514)의 국부적 영역을 단지 2 내지 3 ksi의 강도를 갖는 고온 강철 상으로 가열하여서, 시추파이프(514)가 자체적으로 내향으로 접혀지게 하여 시추파이프(514)를 밀봉한다.

도 6은 본원의 일 실시예에 따른 유도 가열 코일들을 갖는 유정폭발 방지기의 실행형태를 도시하는 블록도이다. 시추 시스템(600)은 유도 가열 코일(608)을 포함할 수 있다. 코일(608)은 시추 선박에 위치할 수 있는 유도 전력 공급부(602)에 도체를 통해서 전기 접속될 수 있다. 코일(608)은 코일(602)이 사용될 때까지 보호를 위하여 해저 시스템 내의 저장 시스템을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 시추 선박에 위치한 전력 공급부(602)는 또한 유정폭발 방지기에서 해저에 위치할 수 있다. 코일(608)은 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 시추파이프를 가열하기 위하여 저장 위치에서 가열 위치로 작동될 수 있다.

시스템(600)은 또한 시추 선박에서 해저 시스템으로의 전기 도체(604)를 포함할 수 있다. 도체(604)는 전력 공급부(602)로부터 가열 코일(608)로 전력을 공급할 수 있다. 전력은 예를 들어 유도 전력 공급부(602)로부터의 고주파 고전류로서 또는 가열 코일(608) 인근의 해저 유도 전력 공급부로부터의 3상 480 VAC 전기로서 제공될 수 있다. 도체(604)는 의도하지 않은 RF 가열을 회피하기 위하여 수냉식이고 분리되어서 차폐된다. 시스템(600)은 전단 및 분리 후에 시추파이프 스트링을 고정하는 시추파이프 고정 및 유지 장치(610)를 추가로 포함할 수 있다. 시스템(600)은 또한 전단 장치(606)를 포함할 수 있고, 이 경우에 가열 코일(608)은 시추파이프의 강철 특성들을 낮춤으로써 취약성을 촉진하기 위해 시추파이프를 가열하는데 사용될 수 있다.

도 7은 본원의 일 실시예에 따른 유도 코일 작동을 도시하는 탑-다운 도면(top-down view)이다. 유도 코일은 저장될 때 또는 사용하지 않을 때 제 1 위치(702)에서 시작될 수 있다. 시추파이프(706)와 결합되도록 명령될 때, 유도 코일은 제 2 위치(704)로 이동할 수 있다. 위치(704)에서, 전류는 시추파이프(706)의 전단을 개시하도록 유도 코일에 인가될 수 있다.

도 8은 본원의 일 실시예에 따른 시추 파이프를 유도 절단하는 방법을 도시하는 흐름도이다. 시추 파이프의 유도 전단이 요구될 때 전력 공급부로부터 코일로 전력을 인가하기 위한 하나의 절차는 전력 공급부로부터 전력을 증가시키는 것이다. 전체 전력으로 작동하는 것보다 전력 공급을 증가시키면, 높은 전력 수준에서 전단되는 작동 파이프와 관련된 문제를 감소시킬 수 있다. 블록(802)에서, 유도 가열 코일에 결합된 전력 공급부는 시추파이프의 제 1 온도로 제 1 비율로 증가될 수 있다. 예를 들어, 하나의 절차는 시추 파이프의 온도가 700℃에 도달할 때까지 0으로부터 제 1 선형 비율로 전력 공급부를 증가시키는 것을 포함한다. 그 다음, 블록(804)에서, 시추파이프를 전단하기 위하여 온도와 같은 목표 온도로 제 2 빠른 비율로 증가될 수 있다. 전력을 0으로부터 시추 파이프를 전단하는 도달 전력 수준으로 증가시키는 절차는 30초 미만 소요되거나 또는 임의의 실시예에서 5초 미만으로 소요될 수 있다. 전자기 유도를 위한 전력 공급부는 모듈에 부착된 수중 배터리일 수 있다. 전력 공급부의 작동과 전자기 유도의 인가는 제어기에 의해서 실행될 수 있다. 블록(806)에서, 시추파이프의 전단은 검출될 수 있고 블록(808)에서 시추파이프는 밀봉될 수 있다. 도 8의 방법은 유도 코일의 제어 및 시추파이프의 전단을 위하여 유정폭발 방지기(BOP)에 결합된 제어기에서 프로그램될 수 있다.

도 9는 본원의 일 실시예에 따른 여러 파이프 직경의 가열 비율을 도시하는 그래프이다. 도 9의 그래프는 5" 직경 및 .362" 두께의 벽, 5.5" 직경 및 .75" 두께의 벽, 6.63" 직경 및 .813" 두께의 벽, 10.75" 직경 및 0.558" 두께의 벽, 8.5" 직경 및 0.75" 벽, 6.25" 직경 및 1.063" 벽, 및 14.0" 직경 및 0.75" 벽을 갖는 파이프에 대해서 여러 전력 수준들에서 가열 비율을 나타내는 라인(902,904,906,908,910,912,914)을 포함한다.

본원 및 그 장점은 상세하게 기술되었지만, 첨부된 청구범위에 의해서 규정된 바와 같이 본원의 정신 및 범주 내에서 여러 변형, 대체 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 더우기, 본원의 범주는 명세서에 기술된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계들의 특정 실시예에 국한되도록 의도된 것이 아니다. 당업자는 본 발명으로부터 본원에 기술된 대응 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 실행하거나 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하는, 현재 존재하거나 또는 차후에 개발될, 개시물, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계들이 본원에 따라 사용될 수 있음을 즉시 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 그 범주 내에서 그러한 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계들을 포함하도록 의되된다.