에너지 전달 장치

에너지 전달 장치{ENERGY TRANSFER DEVICE}

본 특허출원은 2012년 4월 24일에 출원된 미국 가특허출원번호 61/637,541호를 기초로 우선권을 주장하고 있는데, 상기 미국 특허출원은 전반적으로 본 명세서에서 참조문헌으로 인용된다.

본 발명은 제2 파이로테크닉 장치의 발사를 개시하기 위하여 제1 파이로테크닉 장치의 출력으로부터 릴리스된 에너지를 제2 파이로테크닉 장치에 전달하도록 구성된 에너지 전달 장치에 관한 것이다. 상기 에너지 전달 장치는 제1 파이로테크닉 장치의 출력 차지(output charge), 가령, 시간 지연 퓨즈에 의해 릴리스된 에너지를 흡수하고 이 에너지의 일부분 이상을 제2 파이로테크닉 장치를 향해 안내하여, 조절 방식으로 제2 파이로테크닉 장치를 효율적이면서도 안정적으로 발사할 수 있게 한다.

파이로테크닉 장치(pyrotechnic device)는 일반적으로 다양한 산업 용도, 가령, 유정 완결 공정(well completion operation)에서 폭발장약(explosive charge)을 점화하거나 폭발시키도록 사용된다. 시간 지연 퓨즈(time delay fuse)는 폭파 공정(blasting operation)에 사용되는 폭발 물질(explosive material)의 폭발을 점화하도록 사용될 수 있는 대표적인 파이로테크닉 장치이다. 시간 지연 퓨즈는 일반적으로 사전결정된 지연 시간 증분량(delay time increment)에서 사용 가능하다. 하지만, 특정 분야에서, 단일의 시간 지연 퓨즈가 공급되도록 구성되는 것에 비해 더 긴 시간 지연이 바람직하다. 이러한 경우에서, 폭파 공정 운영자(blasting operator)는, 한 퓨즈로부터의 출력 차지(output charge)가 그 다음 퓨즈의 점화 차지(ignition charge) 또는 프라이머(primer)를 점화할 것이라는 것을 제외하고는, 복수의 퓨즈를 일렬로(in series) 적재할 수 있다(stack).

시간 지연 퓨즈는 통상 이와 같은 방식으로는 사용하도록 구성되거나 설계되지 않는다. 따라서, 특정 환경에서, 시간 지연 퓨즈로부터의 출력 차지(output charge)는 근접한 퓨즈를 점화시키는 데 실패할 수 있어서 이에 따라 폭파 공정에 사용되는 기폭약(primary explosive)을 폭발시키는 데 실패하게 된다. 다운홀 공정(downhole operation)의 관점에서 볼 때, 기폭약을 폭발시키는 데 실패함으로써, 기폭약을 포함하는 공구(tool)가 홀을 백업(back up)하도록 제공되고 시간 지연 퓨즈의 새로운 스트링(new string)이 설치될 필요가 생겼을 수 있다. 파이프 스트링(pipe string)을 끌어당기는(pulling) 공정은 값비싸고 시간이 많이 소요되는 공정이다. 본질적으로 위험한 특성으로 인해, 폭발 장치(explosive device)가 제공됨으로써 상기 공정은 더 복잡하게 된다.

따라서, 종래 기술에서, 하나의 시간 지연 퓨즈로부터의 출력 에너지를 또 다른 시간 지연 퓨즈로 효율적이면서도 안정적으로 전달하여, 그 다음 퓨즈에서 연쇄 점화(chain ignite)를 제공할 필요성이 존재한다.

본 발명은 제2 파이로테크닉 장치(pyrotechnic device)의 발사(firing)를 개시하기(initiating) 위하여 제1 파이로테크닉 장치로부터의 에너지 출력(energy output)을 제2 파이로테크닉 장치에 전달하도록 구성된 에너지 전달 장치(energy transfer device)를 제공함으로써 상기 언급한 문제점에 대한 해결책을 제공한다. 한 실시예에서, 에너지 전달 장치는 제1 파이로테크닉 장치에 근접하게 배열되도록 구성된 전방 섹션(forward section) 및 제2 파이로테크닉 장치에 근접하게 배열되도록 구성된 후미 섹션(aft section)을 포함하는 금속성 본체(metallic body)를 포함한다. 상기 금속성 본체는 내부를 통해 연장되는 축방향 통로(axial passageway)를 추가로 포함한다. 상기 통로는 본체 전방 섹션을 통해 연장되는 제1 세그먼트(segment)와 본체 후미 섹션을 통해 연장되는 제2 세그먼트를 포함한다. 본체 전방 섹션은 통로 제1 세그먼트의 직경이 좁아져서 통로 내에 수축부(constriction)가 형성되도록 제1 파이로테크닉 장치로부터의 에너지 출력에 의해 변형될 수 있다(deformable).

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제2 파이로테크닉 장치의 발사를 개시하기 위하여 제1 파이로테크닉 장치로부터의 에너지 출력을 제2 파이로테크닉 장치에 전달하도록 구성된 에너지 전달 장치가 제공된다. 상기 에너지 전달 장치는 내부를 통해 연장되는 중앙 보어(bore)를 포함하는 장치 하우징(housing) 및 상기 하우징에 의해 상기 보어 내로 수용되는(carried) 장치 인서트(insert)를 포함한다. 상기 하우징은 하우징 전방 섹션과 하우징 후미 섹션을 포함한다. 상기 인서트는 인서트 전방 섹션과 인서트 후미 섹션 및 내부를 통해 연장되는 축방향 통로를 포함한다. 상기 하우징 전방 섹션과 인서트 전방 섹션은 제1 파이로테크닉 장치에 근접하게 배열되도록 구성되고, 상기 하우징 후미 섹션과 인서트 후미 섹션은 제2 파이로테크닉 장치에 근접하게 배열되도록 구성된다. 상기 인서트 전방 섹션은 통로 내에 수축부가 형성되도록 제1 파이로테크닉 장치로부터의 에너지 출력에 의해 변형될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 파이로테크닉 차지(pyrotechnic charge)를 웰(well) 내의 다운홀(downhole)에 전달하기 위한 공구(tool)가 제공된다. 상기 공구는 시간 지연 퓨즈(time delay fuse) 및 에너지 전달 장치(energy transfer device)를 포함한다. 상기 에너지 전달 장치는 내부를 통해 연장되는 중앙 보어를 포함하는 장치 하우징 및 내부를 통해 연장되는 축방향 통로를 포함하는 장치 인서트를 포함한다. 상기 장치 하우징은 하우징 전방 섹션과 하우징 후미 섹션을 포함한다. 이와 마찬가지로, 장치 인서트는 인서트 전방 섹션과 인서트 후미 섹션을 포함한다. 장치 인서트는 하우징 보어 내에 위치될 수 있도록 구성된다. 인서트 전방 섹션은 통로 내에 수축부가 형성되도록 제1 파이로테크닉 장치로부터의 에너지 출력에 의해 변형될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 웰(well) 내의 다운홀(downhole)에서 파이로테크닉 차지(pyrotechnic charge)를 점화하기 위한 방법이 제공된다. 우선, 제1 파이로테크닉 장치, 에너지 전달 장치, 및 제2 파이로테크닉 장치가 제공된다. 상기 에너지 전달 장치는 전방 섹션, 후미 섹션, 및 내부를 통해 연장되는 축방향 통로를 가진 금속성 본체를 포함한다. 제1 파이로테크닉 장치는 점화되어 출력 차지(output charge)가 폭발된다. 출력 차지로부터의 에너지의 일부분 이상은 축방향 통로를 통하여 제2 파이로테크닉 장치를 향해 안내되어(directed) 제2 파이로테크닉 장치가 점화된다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 에너지 전달 장치의 투시도;
도 2는 도 1의 에너지 전달 장치의 2-부분 구조를 분해하여 예시한 투시도;
도 3은 시간 지연 퓨즈와 함께 다운홀(downhole) 공구 내에 사용되는 에너지 전달 장치의 개략도;
도 4는 사전-발사 형상에 있는 에너지 전달 장치 인서트의 횡단면도;
도 5는 발사-후의 에너지 전달 장치 인서트의 횡단면도로서, 수축된 통로의 형태와 인서트의 변형을 보여준다.

이제, 특히, 도 1과 2를 보면, 본 발명의 한 실시예에 따른 에너지 전달 장치(10)가 도시된다. 전달 장치(10)는, 시간 지연 퓨즈(time delay fuse)의 폭발 출력(detonating output)을 제한하고 전환하도록 구성된 동적 장치(dynamic device) 또는 상기 출력이 또 다른 시간 지연 퓨즈를 점화시키기에 적합한 유사 장치 또는 입력(input)에 손상을 미치지 않지만 점화하는데 실패하는 유사 장치이다. 이러한 전달 장치(10)는 장치 하우징(12)과 장치 인서트(14)를 포함하는 2-부분 구조로 형성된다. 하우징(12)은 또 다른 파이로테크닉 장치(pyrotechnic device)에 전달되어야 하는 에너지를 공급하는 파이로테크닉 장치를 향해 근접하게 배열되게끔 구성된 통상 원통형의 전방 섹션(16)과 전달된 에너지를 수용하는 파이로테크닉 장치를 향해 근접하게 배열되게끔 구성된 통상 원통형의 후미 섹션(18)을 포함하는 금속성 본체(13)를 포함한다. 특정 실시예들에서, 전방 섹션(16)은 후미 섹션(18)보다 더 큰 외측 직경을 가질 수 있다. 전방 섹션(16)의 외측 표면은, 가령, 다운홀 폭파 공정(downhole blasting operation)에 사용될 수 있는 것과 같이, 하우징(12)이 공구 내에 고정될 수 있도록 하는 스레드(20)를 포함한다. 본체(13)는 내부를 통해 연장되는 축방향 보어(22)를 포함하는데, 상기 축방향 보어는 장치 인서트(14)를 수용하도록 크기가 형성된다. 보어(22)는 전방 세그먼트(24)와 후미 세그먼트(26)를 포함하며, 상기 전방 세그먼트(24)는 일반적으로 후미 세그먼트(26)보다 더 큰 직경을 가지지만, 모든 경우에 반드시 그러할 필요는 없다.

장치 인서트(14)는 전방 섹션(30)과 후미 섹션(32)을 포함하는 금속성 부재(28)를 포함한다. 전방 섹션(30)은 보어(22)의 전방 세그먼트(24) 내에 수용될 수 있도록 구성되며, 후미 섹션(32)은 보어(22)의 후미 세그먼트(24) 내에 수용될 수 있도록 구성된다. 도 4에 가장 잘 도시된 것과 같이, 인서트(14)는 각각의 전방 및 후미 세그먼트(35, 37)를 포함하는 내부를 통해 연장되는 중앙의 축방향 통로(34)를 추가로 포함한다. 특정 실시예들에서, 전방 세그먼트(35)는 세그먼트(37)의 길이보다 더 짧은 길이를 가질 수 있다. 게다가, 세그먼트(35)의 직경은 세그먼트(37)의 직경보다 더 작다.

밑에서 보다 상세하게 논의되는 것과 같이, 통로(34)는 출력 에너지가 전방 섹션(16 및 30)에 근접하게 위치된 제1 파이로테크닉 장치로부터 후미 섹션(18 및 32)에 근접하게 위치된 제2 파이로테크닉 장치를 향해 안내되는(directing) 도관으로서 작동한다. 장치 인서트(14)의 전방 섹션(30)은 O-링(38)을 수용하도록 구성된 주변 채널(36)을 포함한다. 0-링(38)은 인서트(14)와 하우징(12) 사이에 밀봉부(seal)를 제공하며 장치(10)의 조립 시에 인서트(14)가 보어(22) 내에 유지되게 하도록 보조한다.

인서트(14)의 전방 섹션(30)은 일반적으로 후미 섹션(32)보다 더 큰 직경을 가지며, 따라서 보어(22)의 통상적인 형상과 상응한다. 전방 섹션(30)과 후미 섹션(32) 사이의 이음부(junction)는 숄더(40)를 포함하는데, 상기 숄더(40)는 하우징의 후미 섹션(18)과 전방 섹션(16) 사이의 이음부를 형성하는 유사하게 형성된 숄더(42)와 접한다. 두 숄더(40, 42)가 접촉 결합(contacting engagement)됨으로써, 인서트(14)와 하우징(12)의 적절한 짝 결합(mating)이 보장된다.

특정 실시예들에서, 하우징(12)과 인서트(14)는 다양한 금속, 가령, 스테인리스 스틸로 제작될 수 있는데, 각각의 피스(piece)를 위해 상이한 스테인리스 스틸 합금도 개별적으로 선택될 수 있다. 한 특정 실시예에서, 하우징(12)은 17-4(AMS 5643) 스테인리스 스틸을 포함할 수 있으며, 인서트(14)는 304 또는 304L 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 인서트(14)는 하우징(12)이 형성되는 금속보다 더 낮은 경도 및 인장 강도 값을 가진 금속을 포함한다. 밑에서 보다 상세하게 설명되는 것과 같이, 상이한 재료로 인서트(14)와 하우징(12)을 제작하면, 제1 파이로테크닉 장치가 발사될 때 인서트(14)는 변형될 수 있는 반면 하우징(12)은 변형에 저항하여(resist) 이에 따라 재사용할 수 있게 된다. 또한, 장치(10)는 그 자체로는 임의의 파이로테크닉 재료(pyrotechnic material)를 포함하지 않는다는 사실에 유의해야 한다.

본 명세서에 기술되고 예시된 장치(10)의 실시예들이 2-부분 구조로 구성되었지만, 중앙의 축방향 통로 및 일체형 본체를 포함하는 단일-부분 구조로 구성될 수 있는 장치(10)도 본 발명의 범위 내에 있다. 이러한 단일-부분 구조의 장치는 하우징(12)의 외부 형상 및 인서트(14)의 내부 형상, 즉 위에서 기술된 통로(34)를 보유해야 할 것이다.

도 3에 도시된 것과 같이, 에너지 전달 장치(10)는 다운홀 폭파 공정에 사용하기 위해 공구(44), 가령, 발사 헤드(firing head) 내에 설치될 수 있다. 이에 따라, 공구(44)는 다운홀 파이프 스트링(downhole pipe string) 또는 그 외의 다른 다운홀 공구에 결부되도록 구성될 수도 있다. 공구(44)는 일반적으로 발사 핀(50)이 구비된 발사 헤드(48)를 포함하는 발사 섹션(46)을 포함한다. 발사 섹션(46)은 발사 섹션 안에 형성된 보어(54) 내에 배열된 제1 시간 지연 퓨즈(52)를 추가로 포함한다. 퓨즈(52)는 일반적으로 프라이머(56), 하나 또는 그 이상의 시간 지연(58), 및 출력 차지(60)를 포함한다. 특정 실시예들에서, 출력 차지(60)는 2,2', 4,4', 6,6'-헥사니트로스틸벤(FTNS-II)을 포함할 수도 있다. 퓨즈(52) 내에 포함될 수 있는 그 밖의 구성요소들은 점화 조성물(ignition composition)(62), 점화 차지(64), 및 전달 차지(66) 중 하나 또는 그 이상의 섹션들을 포함한다. 또한, 발사 섹션(46)은 공구 전달 섹션(72)의 외부적으로 스레드구성된(externally threaded) 영역(70)에 결부시키도록 구성된 내부적으로 스레드구성된(internally threaded) 단부 영역(68)을 포함한다.

에너지 전달 장치(10)는 상기 영역(70) 내에 수용된다. 장치(10)의 스레드(20)는 영역(70)의 상응하는 스레드(74)와 짝을 이루어(mate) 장치(10)를 내부에 고정시키도록 구성된다. 장치 하우징(12)은 전방 섹션(16)의 한 면에 형성된 한 쌍의 슬롯(76)을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 슬롯들은 장치(10)를 섹션(70) 내에 설치하는데 사용되는 공구를 수용하도록 구성된다. 장치 하우징(12)의 후미 섹션(18)에 근접하게 위치되고 전달 섹션(72) 내에 형성된 보어(80) 내에 제2 시간 지연 퓨즈(78)가 수용된다. 상기 퓨즈(78)는 퓨즈(52)와 동일하게 구성될 수 있거나, 혹은 상이하게, 가령, 더 크거나 더 작은 시간 지연(58)을 가진 상태로 구성될 수도 있다. 에너지 전달 장치(10)로부터 맞은편에 있는 단부에서, 전달 섹션(72)은 단부 영역(68)의 형상과 비슷한 내부적으로 스레드구성된 단부 영역(82)을 포함한다. 단부 영역(82)은, 추가적인 전체 시간 지연인 필요한 경우, 추가적인 전달 섹션(72)에 결부시키도록 구성된다. 대안으로, 또 다른 타입의 파이로테크닉 차지, 가령, 폭파 공정을 위한 작동 폭발물(working explosive)이 단부 영역(82)과 결합될 수 있다.

공구(44)의 작동 동안, 발사 헤드(48)가 당업자에게 알려져 있는 임의의 수단에 따라 작동되어 발사 핀(50)을 시간 지연 퓨즈(52)를 향해 구동하게 된다. 발사 핀(50)은 프라이머(56)를 타격하여 퓨즈(52)를 점화시킨다. 퓨즈(52)가 포함되어 있는 파이로테크닉 재료(pyrotechnic material)는 출력 차지(60)를 통해 지속적으로 연소된다. 출력 차지(60)가 폭발되면(detonation) 열, 가스, 및/또는 고체 입자를 릴리스하여(release), 에너지 전달 장치를 향해, 특히, 전방 섹션(16 및 30)의 각각의 면들을 향해 안내된다. 출력 차지(60)에 의해 생성된 고온의 가스는 통로 전방 세그먼트(35)를 통해 안내되어 통로 후미 세그먼트(37)를 통해 장치(10)로부터 배출된다. 위에 기술된 것과 같이, 장치 인서트(14)는 출력 차지(60)에 의해 릴리스되는 가스 및 열에 의해 변형되는 재료로 형성될 수 있으며, 하우징(12)은 퓨즈(52)의 출력에 의해 변형되는 보다 저항적인 재료로 형성될 수 있다. 이에 따라, 출력 차지(60)가 폭발될 때, 에너지, 고온의 가스 및/또는 고체들이 인서트(14)를 향해 안내되어 인서트의 전방 섹션(30)이 변형하게 된다. 이러한 변형은 도 5에 도시된다.

특히, 초기에 평면인 전방 섹션(30)의 면(84)이 변형되어, 통로 전방 세그먼트(35)의 직경이 좁아지고 내부에 수축부(constriction)(86)가 형성된다. 한 대표적인 실시예에서, 통로 전방 세그먼트(35)는 0.094 인치의 초기 직경을 가진다. 일반적인 주변 온도(ambient temperature)에서, 시간 지연 퓨즈 폭발 출력은 인서트 재료를 변형시켜 통로 전방 세그먼트의 직경을 약 0.040-0.050 인치 사이로 감소시킨다. 상승된 온도에서, 시간 지연 퓨즈의 출력은 스틸 테스트 덴트 블록(dent block)에서 25% 더 깊은 덴트(dent)를 형성하며, 인서트 포트 직경을 0.030-0.039 인치로 감소시킨다. 시간 지연 퓨즈가 출력되면, 통로 개방 영역은 폭발 강도(detonation strength)에 따라 3.5 내지 9.8배 감소된다. 사용 시에, 그리고, 도너(donor) 폭발 장치(예컨대, 퓨즈(52))에 의해 작동될 때, 인서트(14)의 변형/덴트는 폭발 에너지(detonation energy)의 일부분을 흡수한다. 인서트(14)의 기하학적 형상(geometry) 및 재료 특성으로 인해, 폭발 출력에 근접하게 사용될 때 통로 전방 세그먼트(35)가 부분적으로 밀폐되어(partial closing) 스틸에 덴트를 야기할 수 있다. 강력하게 폭발되면 더 많이 변형하게 되고 이에 따라 통로 전방 세그먼트(35)가 더 작은 직경으로 밀폐되며 폭발 충격(detonation impact)을 추가로 제한되어, 충분한 점화 가스 및 입자가 통과할 수 있게 하는 것이 밝혀졌다. 따라서, 이러한 작용은 도너 폭발 장치(donor detonating device)의 현재 파워 출력 레벨(power output level)을 자체-조정한다(self-regulating).

통로 전방 세그먼트(35)의 수축부(86)로 인해, 출력 차지(60)로부터의 압력(예컨대, HNS-II, 아지드(azide) 출력 에너지 및 출력 개시 에너지(output initiator energy), 고온의 금속 단편(fragment), 용융 금속 및 슬래그(slag)로부터의 폭발 압력 및 열의 조합)이 더 긴 시간 동안 릴리스될 수 있게 한다. HNS-II로부터의 변형되면, 종종 면(84)의 변형 후에 슬래그로 덮히는 원뿔형 임프레션(conical impression)을 생성한다. HNS-II가 폭발되면, 보통, 검정 검댕(soot)을 남기며, 따라서, 특정 실시예들에서, 인서트(14) 내부와 인서트(14) 위에 관찰된 슬래그는 폭발로부터의 초기 충격 후에 통로(34)를 통한 가스 및 고체 흐름을 나타낸다.

장치(10)의 2-부분 구조로 인해, 하우징(12)은 단순히 인서트(14)를 교체함으로써 재사용할 수 있게 된다. 통로 후미 세그먼트(37)는 통로 전방 세그먼트(35)보다 더 큰 초기 직경을 가질 수 있다. 더 큰 직경의 세그먼트(37)는 공구 마모가 성능에 영향을 끼치지 않으며 직경과 동심도(concentricity)가 조절될 수 있도록 하는 새로운 통로(renewable passage)로서 기능을 한다(function). 그 다음 지연의 출력에 가장 가까운 영역이 보통 확장되고(expand) 재활용 공구의 일부분인 경우 마모 지점(wear point)일 수 있다는 것을 유의해야 한다.

출력 차지(60)의 연소에 의해 생성된 에너지, 가스 및/또는 고체 제품(solid product)는 통로(34)를 통해 퓨즈(78)를 향해 이동된다(carried). 인서트(14)의 후미 면(88)과 반응하면, 고온의 가스 및/또는 고체는 퓨즈(78)의 프라이머(56) 상에 직접 집중되고(focused) 점화를 보장할 수 있다. 따라서, 장치(10)는 퓨즈(52)의 출력을 효율적이면서도 안정적으로 퓨즈(78)에 전달하여 발사 헤드(48)로부터 시작하는 발사 시퀀스(firing sequence)가 지속되도록 보장한다. 그 뒤, 퓨즈(78)의 출력 차지(60)는, 또 다른 전달 섹션(72)이 단부 영역(82)에 결부됨으로써, 또 다른 퓨즈에 전달될 수 있거나, 혹은 또 다른 타입의 파이로테크닉 장치, 가령, 또 다른 발사 헤드 또는 폭파 공정에 사용될 수 있는 폭발장약(explosive charge)에 전달될 수 있다.