KR20040012742A - 임계적인 환형 압력의 증가를 방지하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모듈형의 파열 안전판 조립체를 위한 리셉터클(들)을 포함하는 변형 케이싱 커플링에 관한 것이다. 파열 안전판 조립체는 나사 또는 스냅 링에 의하여 유지되며, 나사를 적소에 유지함으로써 또는 일체의 0링 시일에 의해 밀봉된다. 안전판은, 트랩된 환형 압력이 외부 케이싱의 완전성을 위협하기 전에 사용자가 정한 압력에서 파열된다. 이러한 구조로 인하여, 파열 안전판 조립체는 현장에 또는 파이프 선적 전에 설치될 수 있다.

Description

임계적인 환형 압력의 증가를 방지하기 위한 방법{METHOD FOR PREVENTING CRITICAL, ANNULAR PRESSURE BUILDUP}
환형 압력 증가(annular pressure buildup, APB)와, 갱정 케이싱 및 튜빙 스트링(tubing string)에 가해지는 관련 하중의 물리학은 제1의 멀티-스트링 완결 이래로 경험적으로 알려졌다. 최근에, APB는 시추 및 완결 공학자들의 관심을 끌고 있다. 현대의 갱정 완결(well completion)에서, APB에 기여하는 모든 인자는 특히 심해의 갱정에서 극한의 상황으로 압박되었다.
APB는 해저의 유정갱구 설비(wellhead installation)를 참고로 가장 잘 이해된다. 유정 및 가스정에 있어서, 층의 소정 섹션이 갱정의 나머지로부터 격리되어야 하는 것은 이상한 일이 아니다. 이는 통상적으로 시멘트 칼럼의 상부를 후속 스트링으로부터 이전의 케이싱 슈(casing shoe) 위의 고리(annulus) 내측으로 운반함으로써 달성된다. 이로 인하여 층이 격리되는 중에, 시멘트를 케이싱 슈의 내측으로 운반하는 것은 자연의 파열 구배(fracture gradient)에 의해 제공되는 안전밸브를 효과적으로 폐쇄시킨다. 슈에서의 누설 대신에, 표면에서 해제되지 않으면 케이싱에 임의의 압력 증대가 야기된다. 대부분의 지상 갱정과 많은 해상 플랫폼 갱정에는 각각의 케이싱 고리(annulus)에 접근하게 하는 유정갱구가 설치되어 있어서, 관찰된 압력 증가는 신속하게 해제될 수 있다. 불행하게도, 대부분의 해저 유정갱구 설비는 각각의 케이싱 고리에 접근할 수 없게 되어 있어서, 종종 밀봉된 고리가 발생된다. 고리가 밀봉되어 있기 때문에, 내부 압력은 온도의 증가에 반응하여 현저하게 증가할 수 있다.
대부분의 케이싱 스트링과 방출 유체(displaced fluids)는 거의 정온 상태로 마련되어 있다. 해상에서의 온도는 대략 34 ℉이다. 생산 유체는, 생산 유체가 표면을 향해 추출되는 경우에 방출 유체를 분산시켜 가열하는 "고온" 층(hot formation)으로부터 추출된다. 방출 유체가 가열될 때, 그 유체는 팽창하고 상당한 압력 증가가 발생될 수 있다. 이 조건은 모든 생산 갱정에서 공통적으로 존재하지만, 심해의 갱정에서 가장 명백하다. 심해의 갱정은, 생산 중에 생산 유체의 상승된 온도와 대조적으로 방출 유체의 차가운 온도 때문에 환형의 압력 증가에 노출되기 쉽다. 또한, 해저의 유정갱구는 모든 고리에 접근할 수 없게 되어 있어서, 밀봉된 고리에서의 임의의 압력 증가는 해제될 수 없다. 종종, 압력은 내부 스트링을 붕괴시킬 정도로, 심지어 외부 스트링을 파열시킬 정도로 크게 될 수 있어서, 갱정을 파괴시킨다.
APB의 문제에 대한 이전의 한 가지 해결책은, 외부 스트링 케이싱에 조인트를 취하고, 비교적 얇은 벽을 형성하도록 소정의 섹션을 밀링하는 것이었다. 그러나, 밀링된 벽이 파괴되거나 파열되는 압력을 결정하는 것이 매우 어려웠다. 이는, 벽을 압력 시험할 때 과도하게 약한 벽이 파열되는 상황을 야기할 수 있었다. 다른 경우에는, 밀링된 벽이 너무 강하여, 외부 스트링이 파열되기 전에 내부 스트링이 붕괴되었다.
케이싱의 압력 시험을 통과할 수 있는 충분한 내압을 신뢰성있게 유지하지만, 내부 스트링의 붕괴 압력 또는 외부 스트링의 파열 압력보다 약간 작은 압력에서는 붕괴 또는 파괴되는 케이싱 커플링이 필요하다.
본 발명은 유정 및 가스정에 대한 손상을 방지하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 임계적인 환형 압력의 증가로 인한 갱정 케이싱의 손상을 방지하는 것에 관한 것이다.
도 1a는 파열 안전판 조립체의 분해 상태의 횡단면도이고,
도 1b는 파열 안전판 조립체의 조립 상태의 횡단면도이고,
도 2a는 나사들을 이용하여 케이싱에 설치된 파열 안전판 조립체의 횡단면도이고,
도 2b는 나사를 이용하여 케이싱에 설치된 파열 안전판 조립체의 횡단면도이고,
도 2c는 스냅 링을 이용하여 케이싱에 설치된 파열 안전판 조립체의 횡단면도이고,
도 3은 통상의 해양 갱정 링(offshore well ring)의 간단한 도면이고,
도 4는 시추공의 횡단면도이다.
본 발명의 목적은, 케이싱의 압력 시험을 통과하기에 충분한 내부 압력을 유지하지만 압력이 예정된 레벨에 도달한 때에 신뢰성있게 해제되는 케이싱 커플링을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 내부 스트링의 붕괴 압력보다 작고 외부 스트링의 파열 압력보다 작은 압력에서 해제되는 케이싱 커플링을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 제조 비용이 비교적 저렴하고, 설치하기에 용이하며, 고정된, 비교적 협소한 압력 범위에서 신뢰성이 있는 케이싱 커플링을 제공하는 것이다.
전술한 목적은 모듈형의 파열 안전판 조립체를 내장하기 위하여 하나 이상의 리셉터클을 포함하도록 케이싱 커플링을 변형시킴으로써 달성되며, 상기 파열 안전판 조립체는 사용자가 정한 압력에서 파괴된다. 파열 안전판 조립체는 나사 또는 스냅 링과 같은 적합한 방식으로 유지되며, 유지 나사 또는 일체의 0링 시일에 의하여 밀봉된다. 파열 안전판이 파열되는 압력은 사용자에 의해 정해지며, 온도에 대하여 보상된다. 트랩된 환형 압력이 내부 또는 외부 케이싱 중 어느 하나의 완전성을 위협하는 경우에 안전판이 파열된다. 이러한 구조로 인하여, 파열 안전판 조립체는 현장에 또는 파이프 선적 전에 설치될 수 있다.
본 발명의 추가의 목적, 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
본 발명이 특징으로 하는 신규한 특징은 첨부된 청구범위에 설명되어 있다. 그러나, 본 발명 자체 뿐 아니라, 바람직한 사용 모드는 첨부 도면과 관련한 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명을 참고로 하면 가장 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 3은 통상의 해양 갱정 링(offshore well ring)을 간단하게 도시하는 도면이다. 데릭(302)이 덱(304)의 상부에 지지되어 있다. 덱(304)은 수상 워크 스테이션(306)에 의해 지지되어 있다. 통상적으로 덱(304)에는 펌프(308)와, 데릭(302)의 아래에 위치된 감아올리는 장치(310)가 있다. 케이싱(312)이 덱(304)으로부터 현수되어 있으며, 해저 도관(314)과 해저 유정갱구 설비(316)를 통하여 시추공(318)까지 안내된다. 해저 유정갱구 설비(316)는 해저(320)에 놓여 있다.
유정 및 가스정의 건설 중에는, 통상적으로 회전 드릴을 사용하여 지층의 지하층을 관통하는 구멍을 천공하여 시추공(318)을 형성한다. 회전 드릴이 지층을 뚫고 들어감에 따라, 해당 업계에 "머드(mud)"로서 알려진 시추액(drilling fluid)이 시추공(318)을 통하여 순환된다. 머드는 일반적으로 표면으로부터 시추관의 내부를 통하여 펌핑된다. 시추관을 통하여 시추액을 계속적으로 펌핑함으로써, 시추액은, 시추관의 바닥으로부터, 시추공(318)의 벽과 시추관 사이의 환형 공간을 통하여 갱정의 표면으로 복귀된다. 머드는 일반적으로 특정의 지질 정보가 필요하고 머드가 재순환되어야 할 때 표면으로 복귀한다. 머드는 드릴 비트를 윤활하고 냉각하는 것을 돕는 데 사용되고, 시추공(318)이 시추될 때 절삭물(cuttings)을 용이하게 제거한다. 또한, 머드의 칼럼에 의해 발생된 구멍 내의 정수압은, 시추정(wellbore) 내에 발생되는 고압에 기인하여 일어날 수 있는 파열(blowout)을 방지한다. 고압에 의해 야기되는 파열을 방지하기 위하여, 머드가 시추 시에 예상되는 임의의 압력보다 큰 정수압을 갖도록 머드에는 중량물(heavy weight)이 놓인다.
상이한 깊이에서는 상이한 타입의 머드를 사용해야 하는데, 그 이유는 시추공(318)이 깊을수록 압력이 높아지기 때문이다. 예컨대, 2,500 ft에서의 압력은 1,000 ft에서의 압력보다 훨씬 높다. 1,000 ft에서 사용된 머드는 2,500 ft에서 사용할 수 있을 정도로 무겁지 않아서, 파열(blowout)이 일어난다. 해저 갱정에 있어서, 깊은 곳에서의 압력은 엄청나게 높다. 결과적으로, 매우 깊은 곳에서의 머드의 중량은 시추공(318)에서의 고압을 상쇄하도록 특히 무거워야 한다. 특히 무거운 머드를 사용할 때의 문제점은, 머드의 정수압이 너무 높은 경우에 머드가 층 내로 침입하거나 누출되어, 머드의 순환 손실이 발생된다는 것이다. 이 때문에, 2,500 ft에서 사용되어야 하는 동일 무게의 머드를 1,000 ft에서는 사용할 수 없다. 이러한 이유로, 단일의 케이싱 스트링을 항상 시추공(318)의 원하는 최종 깊이에 대해 아래에 두는 것은 불가능하다. 깊은 곳에 도달하기 위하여 필요한 중량의 머드는 보다 얕은 깊이에서는 층 내로 칩입하거나 누설되기 시작하여, 순환 손실을 발생시킨다.
상이한 타입의 머드를 사용할 수 있도록 하기 위해서는, 상이한 케이싱 스트링을 채용하여 시추공(318)에서 발견되는 넓은 압력 구배를 제거한다. 시작 시에, 시추공(318)은 보다 무거운 머드가 필요한 깊이로 시추되고, 요구되는 보다 무거운 머드는 매우 큰 정수압을 가져서, 보다 얕은 깊이에서 층 내로 침입하거나 누출되기 시작한다. 이는 일반적으로 1,000 ft 보다 약간 깊은 곳에서 일어난다. 이것이 일어나는 경우에, 케이싱 스트링이 시추공(318) 내로 삽입된다. 시멘트 슬러리가 케이싱 내로 펌핑되고, 시추 머드 또는 시추액과 같은 유체의 플러그는 시멘트 슬러리의 뒤에서 펌핑되어, 시멘트를 시추공(318)과 케이싱의 외부 사이의 고리(annulus)로 강제시킨다. 시멘트 슬러리를 형성하는 데 사용된 물의 양은 선택된 수경성 시멘트의 종류와, 슬러리의 요구되는 점도와, 특정의 작업을 위한 강도 요건 및 가까운 정규의 작업 조건에 따라 넓은 범위에 걸쳐 변경된다.
통상적으로, 수경성 시멘트, 특히 포틀랜드 시멘트는 시추공(318) 내에 갱정 케이싱을 접합하는 데 사용된다. 수경성 시멘트는, 그들 시멘트가 수면 아래에서 세팅되거나 경화될 수 있게 하는 수화 반응이 일어나는 데에 기인하여 경화되고 압축 강도를 발생시키는 시멘트이다. 시멘트 슬러리는 케이싱을 적소에 유지하도록 세팅 및 경화될 수 있다. 또한, 시멘트는 수면 아래 층의 띠 격리(zonal isolation)를 제공하고, 시추공(318)의 붕괴 또는 부식을 방지하는 것을 돕는다.
제1 케이싱이 세팅된 후에, 시추는, 시추공(318)이 보다 무거운 머드가 필요한 깊이로 다시 시추되고, 필요한 보다 무거운 머드가 층 내로 침입하거나 누설될 때까지 계속된다. 다시, 케이싱 스트링은 시추공(318) 내로, 일반적으로 대략 2,500 ft로 삽입되고, 시멘트 슬러리는 케이싱을 적소에 유지하고 수면 하래 층의 띠 격리를 제공하도록 세팅 및 경화될 수 있어서, 시추공(318)의 붕괴 또는 부식을 방지하는 것을 돕는다.
복수의 케이싱 스트링을 시추공에 사용하는 다른 이유는 갱정의 나머지로부터 층의 소정 섹션을 격리하기 위한 것이다. 지층에는, 바위, 염(salt), 모래 등으로 각각 제조된 많은 상이한 층이 있다. 궁극적으로, 시추공(318)은 다른 층과연통되어서는 안되는 층 내로 시추된다. 예컨대, 멕시코의 Gulf에서 발견되는 특유의 특징은 약 2,000 ft의 깊이에서 흐르는 고압의 담수 모래이다. 고압으로 인하여, 일반적으로 그 레벨에서 여분의 케이싱 스트링이 요구된다. 그렇치 않으면, 모래는 머드 또는 생산 유체 내로 누설될 수 있다. 이러한 일이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 시추공(318)은 격리될 필요가 있는 층 또는 층의 소정 섹션을 통하여 시추되고, 케이스 스트링은, 시멘트 칼럼의 상부를 후속 스트링으로부터 이전의 케이싱 슈 위의 고리 내측으로 운반하여 그 층을 격리하도록 세팅된다. 이는 얼마나 많은 층이 격리될 필요가 있는가에 따라 6회 정도 실행될 수도 있다. 시멘트를 이전의 케이싱 슈 위의 고리 내측으로 운반함으로써, 슈의 파열 구배가 블로킹된다. 블로킹된 케이싱 슈 때문에, 슈에서의 압력 누출이 방지되고, 케이싱에 임의의 압력 증가가 가해진다. 종종, 이러한 과잉의 압력 증가는 표면에서 해제될 수도 있고, 파열 방지구(BOP)가 고리에 부착될 수도 있다.
그러나, 해저의 유정갱구는 통상적으로 해저에 고정되는 외부 하우징과, 외부의 유정갱구 하우징 내에 수용되는 내부 유정갱구 하우징을 구비한다. 해양 갱정의 완결 중에, 케이싱과 튜빙 행거는 하우징 위에 설치된 BOP 스택을 통하여 유정갱구 하우징 내의 지지 위치로 하강된다. 갱정의 완결에 이어서, BOP 스택은 적합한 값을 갖는 생산정두장치(Christmas tree)에 의해 대체되어, 갱정 유체의 생산을 제어한다. 케이싱 행거는 하우징 보어에 대하여 밀봉되어 있고, 튜빙 행거는 하우징 보어의 케이싱 행거에 대하여 밀봉되어 있어서, 케이싱 및 튜빙 스트링과, 튜빙 행거 위의 하우징의 보어 사이의 고리에 유체 장벽(fluid barrier)을 효과적으로 형성한다. 케이싱 행거가 위치 결정되어 밀봉된 후에, 압력 제어를 위하여 케이싱 고리 시일이 마련된다. 모든 갱정에는 케이싱 고리 시일이 있다. 시일이 표면 유정갱구 상에 있는 경우에, 종종 시일은 케이싱 고리와 연통하는 포트를 구비할 수 있다. 그러나, 해저의 유정갱구 하우징에서는, 대경의 저압 하우징과 보다 소경의 고압 하우징이 있다. 고압 때문에, 고압 하우징은 안전을 위한 어떠한 포트도 없어야 한다. 일단 고압 하우징이 밀봉되면, 파열 방지구의 목적을 위하여 케이싱 행거 아래에 구멍을 두는 것은 불가능하다. 과잉의 압력 증가를 해제하기 위한 어떠한 수단도 없는 단지 고상의 환형 부재만이 있다.
도 4는 시추공(318) 내의 멀티 스트링 케이싱(multi string casing)을 간단하게 도시한 도면이다. 시추공(318)은 내경(432) 및 외경(434)을 갖는 케이싱(430)과, 내경(438) 및 외경(440)을 갖는 케이싱(436)과, 내경(444) 및 외경(446)을 갖는 케이싱(442)과, 내경(450) 및 외경(452)을 갖는 케이싱(448)을 포함한다. 케이싱(430)의 내경(432)은 케이싱(436)의 외경(440)보다 크다. 케이싱(436)의 내경(438)은 케이싱(442)의 외경(446)보다 크다. 케이싱(442)의 내경(444)은 케이싱(448)의 외경(452)보다 크다. 케이싱(430)의 내경(432)과 케이싱(436)의 외경(440)에 의하여 환형 영역(402)이 형성되어 있다. 케이싱(436)의 내경(438)과 케이싱(442)의 외경(446)에 의하여 환형 영역(404)이 형성되어 있다. 케이싱(442)의 내경(444)과 케이싱(448)의 외경(452)에 의해 환형 영역(406)이 형성되어 있다. 환형 영역(402, 404)은 저압 하우징(426)에 위치되어 있고, 환형 영역(406)은 고압 하우징(428)에 위치되어 있다. 환형 영역(402)은 통상의 환형 영역을 표시한다. 압력 증가가 환형 영역(402)에서 일어나는 경우에, 압력은 층(412) 내로 방출될 수도 있고 표면 관통 포트(414)에서 해제될 수도 있다. 환형 영역(404, 406)에서 압력 증가가 일어나는 경우에, 압력 증가는 인접 층(416)으로 방출될 수 없는데, 그 이유는 층(416)이 갱정으로부터 격리되어야 하는 층이기 때문이다. 요구되는 격리 때문에, 시멘트(418)의 상부는 후속 스트링으로부터 이전의 케이싱 슈(420) 위의 환형 영역(404, 406) 내측으로 운반되어 층(416)을 격리시킨다. 환형 영역(404)에서의 압력 증가는 해제될 수 있는데, 그 이유는 환형 영역(404)이 저압 하우징(426)에 있고, 포트(414)가 고리와 연통되어 있어서, 임의의 과잉 압력 증가를 해제시키는 데 사용될 수 있기 때문이다. 이와 달리, 환형 영역(406)은 고압 하우징(428)에 있으며, 안전을 위한 어떠한 포트도 없다. 그 결과, 환형 영역(406)은 밀봉된 고리로 된다. 환형 영역(406)에서의 임의의 압력 증가는 표면에서 해제될 수 없으며, 압력 증가가 커지게 되는 경우에, 내부 케이싱(448)이 붕괴될 수도 있고, 환형 영역(406)을 둘러싸는 케이싱이 파열될 수도 있다.
종종, 소정 범위의 유체가 케이싱의 두 동심 조인트의 내경과 외경 사이의 고상 환형 부재 내에 트랩된다. 설치 시에, 트랩된 환형 유체의 온도는 주변 환경의 온도와 동일하다. 주변 환경이 깊은 해저인 경우에, 온도는 대략 34 ℉일 수 있다. 유정 생산이 시작되고 생산 유체의 열(즉, 110 ℉ 내지 300 ℉)이 트랩된 환형 유체의 온도를 증가시키는 때에 과잉의 압력 증가가 야기된다. 가열된 유체는 팽창하여, 압력 증가를 야기한다. 10,000 ft에서, 7인치 35 ppf(0.498 인치의벽) 내측의 3 ½인치의 튜빙의 경우에, 8.6 ppg의 수계 완결 유체가 2.5×10-4R-1의 유체 열챙창율을 갖고, 생산 중에 평균 70 ℉로 가열되는 것으로 가정한다.
제한되지 않은 유체가 가열되는 경우에, 유체는 이하에 설명하는 바와 같이 보다 큰 용적으로 팽창한다.
V = Vo(1+αΔT)
여기서, V는 팽창 용적(in3)이고, Vo는 초기 용적(in3)이고, α는 유체 열팽창율(R-1)이고, ΔT는 평균 유체 온도 변화(℉)이다.
유체가 분기되는 경우에 야기되는 유체 팽창은 다음과 같다.
Vo= 10,000(π/4)(6.0042-3.52/144 = 1.298 ft3= 231.2 bbl
V = 231.2〔1+(2.5 ×10-4×70)〕= 235.2 bbl
ΔV = 4.0 bbl
결과적인 압력은 케이싱과 튜빙이 완전히 강성인 용기를 형성하는 경우에 다음과 같다.
ΔP = (V-Vo)/VoBN
여기서, V는 팽창 용적(in3)이고, Vo는 초기 용적(in3)이고, ΔP는 유체 압력변화(psi)이고, BN은 유체 압축률(psi-1)이다.
ΔP = 2.5 ×10-4×70/2.8 ×10-6= 6,250 psi
6,250 psi의 결과적인 압력 증가는 외부 케이싱 스트링의 내부 파열 압력 또는 내부 케이싱 스트링의 외부 붕괴 압력을 쉽게 초과할 수 있다.
제안된 발명은 모듈형의 파열 안전판 조립체용의 리셉터클(들)을 포함하는 변형 케이싱 커플링으로 이루어진다. 처음으로 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 파열 안전판 조립체의 바람직한 실시예는 전체적으로 100으로서 지시되어 있다. 파열 안전판 조립체(100)는 바람직하게는 INCONELTM, 즉 크롬, 몰리브덴, 철 및 소량의 기타 원소를 포함하는 니켈계 합금으로 제조되는 파열 안전판(102)을 구비한다. 고온에서의 합금의 강도를 증가시키기 위하여 니오븀이 종종 첨가된다. 9개 또는 매우 상이한 상업적으로 입수 가능한 INCONELTM합금은 산화, 환원 환경, 부식 환경, 고온 환경, 극저온에 대한 양호한 저항성과, 내이완성(relaxation) 및 양호한 기계적 성질을 갖는다. 필요한 요건 내에서 신뢰할 수 있는 파열 범위를 제공할 수 있는 한은 유사한 재료를 사용하여 파열 안전판(102)을 형성할 수 있다.
파열 안전판(102)은 316 스테인리스 강으로 제조된 안전판 리테이너(104)와 본체(106)의 사이에 개재되어 있다. 본체(106)는 예시된 바람직한 실시예에서 1.250 인치의 외경을 갖는 원통형의 부재이다. 본체(106)는 높이가 대략 0.391 인치인 상부 영역(R1)과, 높이가 대략 0.087 인치인 하부 영역(R2)을 구비하며, 이들영역은 상부 평탄면(118)과 하부 평탄면(116) 사이에 형성되어 있다. 상부 영역은 또한 결합될 케이싱 커플링과 맞물리도록 수나사 형성 표면(114)을 구비하며, 이에 대해서는 후술한다. 상부 영역(R1)은 길이가 대략 0.055 인치이고 약 45°의 최대각을 갖는 모따기된 에지(130)를 구비할 수 있다. 하부 영역(R2)은 하부 평탄면(116)에 대하여 대략 45°의 각도를 형성하는 챔퍼(131)를 또한 구비한다. 하부 영역(R2)은 본체(106)의 중앙 축선을 통하여 직경이 대략 0.625 인치인 내부 환형 리세스(120)를 구비한다. 내부 환형 리세스(120)의 치수는 특정 용도의 요구에 따라 변경될 수 있다. 본체(106)의 상부 영역(R1)에는 육각 렌치를 삽입하기 위하여 ½인치의 육각 구멍(122)이 마련되어 있다. 내부 환형 리세스(120)와 육각 구멍(122)은 본체(106)의 실내에 내부 쇼울더(129)를 형성한다.
안전판 리테이너(104)는 높이가 대략 0.172 인치이고, 상면(124) 및 하면(126)을 갖는다. 안전판 리테이너(104)는 안전판 리테이너(104)의 중앙 축선을 통하여 직경이 대략 0.375 인치인 연속 보어(148)를 구비한다. 연속 보어(148)는 안전판 리테이너(104)의 상면(124) 및 하면(126)을 연통시킨다. 하면(126)에는 0링(128)을 삽입하기 위한 대략 넓이가 0.139인치의 0링 홈(110)이 마련되어 있다.
파열 안전판(102)은 본체(106)의 하면(116)과 안전판 리테이너(104)의 상면(124) 사이에 개재되어 있다. 본체(106), 안전판(102) 및 안전판 리테이너(104)는 용접부(108; 도 1b 참조)에 의해 함께 유지된다. 파열 안전판(102)을 보호하도록 육각 구멍(122) 내로 호보 캡(112)이 삽입될 수 있다.보호 캡은 플라스틱, 금속 또는 파열 안전판(102)을 보호할 수 있는 기타 재료로 제조될 수 있다.
파열 안전판 조립체(100)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 변형 케이싱 커플링(202) 내로 삽입된다. 변형 케이싱 커플링(202)은 도 2a 및 도 2b에 있어서 위로부터 본 횡단면도로 도시되어 있으며, 내경(204) 및 외경(206)을 갖는다. 파열 안전판 조립체(100)를 수용하기 위하여 내부 리세스(208)가 마련되어 있다. 내부 리세스(208)는 바닥벽 부분(212)과 측벽(210)을 구비한다. 측벽(210)은 파열 안전판 조립체(100)의 본체(106) 상의 결합될 나사 형성 영역(114)에 맞물리도록 그 길이를 따라 나사가 형성되어 있다. 본체(106) 상의 나사 형성 영역(114)은 예컨대 12 UNF 나사일 수 있다. 파열 안전판 조립체(100)는 육각 토크 렌치를 이용하여 대략 200 ft 파운드의 인가된 힘을 이용함으로써 내부 리세스(208) 내에 고정된다. 200 ft 파운드의 토크는 0링(128)이 내부 리세스(208)의 바닥벽 부분(212)에 견고하게 안착되어 밀봉되는 것을 보장하도록 사용된다.
변형 케이싱 커플링(202)의 매우 얇은 벽 영역 또는 직경(204) 때문에 특정의 케이싱에 0링(128)을 사용할 수 없을 수도 있다. 예컨대, 종종 16 인치의 케이싱이 20 인치 케이싱 내측에 사용되어, 스트링 내측에 공간이 거의 남지 않게 된다. 일반적으로, 16 인치 커플링의 외경은 17 인치이지만, 이 경우에 커플링은 공간의 부족을 보상하도록 16 ½인치의 직경으로 되어야 한다. 결과적으로, 케이싱 벽이 매우 얇게 되고, 원통형의 내부 리세스(208)를 기계 가공하고 0링(128)을 그에 맞닿게 안착하도록 바닥벽 부분(212)에 물질을 남겨두기 위한 충분한 공간이 없게 된다. 이 경우에, 파열 안전판 조립체(100)를 밀봉하기 위하여 0링(128)을 사용하는 대신에, NPT 나사를 사용할 수 있다. 커플링과 파열 안전판 조립체의 이에 대한 버전이 도 2b에 도시되어 있다. 조립체는, NPT 나사를 사용하는 용례가 0링(128)이 사용되는 때의 직선 UNF 나사와 반대로 테이퍼진 나사를 갖는 것을 제외하고는 도 2a의 조립체와 유사하다.
스냅 링(230)이 또한 고정 수단으로서 제공될 수 있다. 본체(106) 상에 나사 형성 영역(114)을 제공하는 대신에, 본체(106)로부터 릿지 또는 립(232)이 연장된다. 또한, 내부 리세스(208) 내의 나사 형성 측벽(210)은 본체(106)로부터 연장되는 립 또는 릿지를 맞물리게 함으로써 파열 안전판 조립체(100)를 내부 리세스(208) 내측에 고정하는 메카니즘으로 대체된다.
본 발명의 파열 안전판 조립체의 설치 및 조작을 이제 설명한다. 파열 안전판(102)이 파열되는 압력은, 층의 온도와, 내부 스트링이 붕괴되거나 외부 케이싱이 파열되는 압력(어느것이든 작은 쪽의 압력)을 이용하여 계산된다. 또한, 파열 안전판 조립체(100)는 특정의 위협 압력을 견딜 수 있어야 한다. 갱정의 통상적인 압력은 깊이에 의존하며, 약 1,400 psi 내지 7,500 psi의 범위 내에 있을 수 있다. 일단 외부 스트링이 세팅되었으면, 외부 스트링은, 시멘트가 양호한 밀봉을 허용하고 스트링이 적소에 적합하게 세팅되는 것을 보장하도록 압력 시험을 받아야 한다. 외부 케이싱을 압력 시험한 후에, 내부 케이싱을 세팅한다. 내부 케이싱은 그것이 자체적으로 붕괴되기 전에 외적으로 견딜 수 있는 특정의 값을 갖는다. 외부 케이싱의 시험 압력보다는 크지만 내부 케이싱의 붕괴 압력보다는 작은 압력 범위가 결정된다.
온도 보상을 허용한 후에, 압력 범위를 기초로 하여 적합한 파열 안전판 조립체(100)를 선정한다. 생산 유체의 온도는 일반적으로 110 ℉ 내지 300 ℉ 사이이다. 갱정 내측에서의 온도 구배가 있으며, 파열 안전판 조립체(100)가 위치되는 외부 케이싱에 대하여 40 내지 50 ℉의 온도 손실이 일반적이다. 열이 생산 파이프를 통하여 다음의 고리(annulus)로 전달되고, 이어서 파열 안전판 조립체(100)가 위치되는 다음의 케이싱으로 전달되어야 하기 때문에, 온도 구배가 존재한다. 또한, 일부의 열은 층 내로 전달된다. 소정의 온도에서, 파열 안전판(102)은 특정의 강도를 갖는다. 온도가 증가함에 따라, 파열 안전판(102)의 강도는 작아진다. 따라서, 온도가 증가함에 따라, 파열 안전판(102)의 파열 압력은 감소한다. 상승된 온도에서의 이러한 강도 손실은 소정 온도에서의 강도 손실에 대한 보상에 의하여 극복된다.
종종, 갱정의 압력은 변형 케이싱 커플링(202)이 설치되어 갱정 내로 아래로 보내지기 직전까지 모르는 값이다. 파열 안전판 조립체(100)는 커플링(202)이 갱정 내로 보내지기 전의 임의의 시점에서 현장에 설치될 수 있다. 또한, 상황에 따라서는, 변형 케이싱 커플링(202)은 교체할 필요가 있을 수도 있고, 종종 마지막에 압력 등급(pressure rating)을 변경하는 어떤 일이 일어날 수 있어서, 기존의 파열 안전판 조립체(100)를 취하여 교체할 필요가 있다. 준비를 위하여, 소정의 압력 범위를 커버하도록 여러 파열 안전판 조립체(100)를 주문할 수 있다. 그 후, 정확한 압력을 알 경우에, 정확한 파열 안전판 조립체(100)를 변형 케이싱 커플링(102)이 벽 내로 보내지기 직전에 설치할 수 있다.
파열 안전판(102)이 파열되는 경우에, 안전판의 재료는 중앙에서 갈라지고, 이어서 반경 방향 외측으로 갈라지고, 코너들이 팝업(pop up)된다. 갈라진 안전판 재료는 느슨한 부분이 없는 고상 부분으로 남아 있으며, 개화된 꽃, 또는 완전한 상태로 있는 부분을 갖는 상태의 박리된 바나나처럼 보인다. 보호 캡(112)이 압박되어 고리 내로 들어간다.
파열 안전판(102)이 파열되는 압력은 사용자가 정할 수 있으며, 그 압력은 온도에 대하여 보상된다. 파열 안전판(102)은 트랩된 환형 압력이 외부 또는 내부의 스트링 중 어느 하나의 완전성을 위협할 때 파열된다. 이러한 구조로 인하여, 파열 안전판 조립체(100)는 공장 또는 현장에서 설치될 수 있다. 파이프의 선적 및 취급 중에 파열 안전판(102)을 보호하도록 보호 캡(112)이 끼워진다.
이상 본 발명의 여러 가지 장점을 설명하였다. 케이싱의 변형 스트링은 케이싱의 압력 시험을 통과하기에 충분한 내부 압력을 유지하며, 압력이 예정된 레벨에 도달할 때에 신뢰성있게 파열되거나 해제된다. 이러한 예정된 압력 레벨은 내부 스트링의 붕괴 압력보다 작고, 외부 스트링의 파열 압력보다 작다. 본 발명의 파열 안전판 조립체는 제조 비용이 비교적 저렴하고, 고정된, 상당히 협소한 압력 범위 내에서 조작 신뢰성이 있다.
본 발명의 단지 한 형태만을 예시하였지만, 본 발명은 그와 같은 형태로 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 각종의 수정 및 변형이 있을 수 있다.

Claims (15)

  1. 연속된 길이의 갱정 케이싱(well casing) 사이에 트랩된 환형 압력으로 인한 해양의 유정 및 가스정에 있어서의 손상을 방지하기 위한 유정 및 가스정 손상 방지 방법으로서,
    파열 안전판을 구비한 모듈형의 파열 안전판 조립체를 내장하기 위하여 하나 이상의 리셉터클(receptacle)을 포함하도록 케이싱 커플링을 변형시키는 단계와,
    변형된 케이싱 커플링의 리셉터클 내에 상기 모듈형의 파열 안전판 조립체를 설치하는 단계
    를 포함하며,
    상기 파열 안전판 조립체의 파열 안전판은 연속된 길이의 갱정 케이싱 사이에 트랩된 환형 압력에 노출되고,
    상기 파열 안전판은 사용자가 정한 압력에서 파열되도록 선택되는 것인 방지 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파열 안전판 조립체에는 리셉터클 내의 암나사 형성 영역과 맞물리는 수나사가 마련되어 있는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 파열 안전판 조립체는 스냅 링에 의하여 케이싱 커플링의 리셉터클 내에 고정되는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 파열 안전판 조립체는 수나사 형성 영역에 의하여 케이싱 커플링의 리셉터클 내에서 밀봉되는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 파열 안전판 조립체는 일체의 0링 시일에 의해 상기 케이싱 커플링의 리셉터클 내에서 밀봉되는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 파열 안전판이 파열되는 선택된 압력은 온도에 대하여 보상되는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  7. 제1항에 있어서, 파이프의 취급 중에 파열 안전판을 보호하도록 파열 안전판 조립체에 마련된 보어 내에 보호 캡을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것인 유정 및 가스정 손상 방지 방법.
  8. 내부 환형 리세스를 갖는 하부 영역과, 육각 렌치를 삽입할 수 있도록 상기 환형 리세스와 연통하는 육각 구멍을 갖는 상부 영역을 구비하는 원통형의 본체와,
    상면, 하면, 그리고 이들 상면과 하면을 연통시키는 보어를 구비하는 안전판 리테이너(disk retainer)와,
    상기 원통형의 본체와 상기 안전판 리테이너의 상면 사이에 개재되어 있고, 사용자가 정한 압력에서 파열되도록 선택된 재료로 구성되는 파열 안전판
    을 포함하는 파열 안전판 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 0링을 삽입할 수 있도록 안전판 리테이너의 하면에 0링용 홈을 구비하는 것인 파열 안전판 조립체.
  10. 제8항에 있어서, 상기 원통형 본체의 상부 영역에 수나사 형성 표면을 더 구비하는 것인 파열 안전판 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 수나사 형성 표면은 UNF 나사가 형성되어 있는 것인 파열 안전판 조립체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 수나사 형성 표면은 NPT 나사가 형성되어 있는 것인 파열 안전판 조립체.
  13. 제8항에 있어서, 상기 본체의 상부 영역에 위치되어 스냅 링으로서 작용하는 릿지 또는 립(lip)을 더 구비하는 것인 파열 안전판 조립체.
  14. 제8항에 있어서, 상기 파열 안전판은 INCONELTM으로 제조되는 것인 파열 안전판 조립체.
  15. 제8항에 있어서, 상기 본체와 안전판 리테이너는 316 스테인리스 강으로 제조되는 것인 파열 안전판 조립체.
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